基于离散元方法的极地浮碎冰区船舶冰阻力

采用离散元方法建立浮/碎冰模型,结合欧拉多相流VOF方法数值模拟船舶与浮/碎冰之间的接触碰撞过程。重点对比分析船、冰作用过程中Hertz-Mindlin模型、Linear Spring模型和Walton Braun模型3种接触力计算模型对船-冰作用形式和冰阻力数值的影响。结果表明,在同一工况下,3种接触碰撞模型对船体周围碎冰运动模式变化的影响一致。对于船体所受冰阻力,通过分析船长方向和船宽方向的冰阻力数值,并将计算结果与采用Du Brovin经验公式计算得到的结果相对比,得出采用Linear Spring接触力计算模型计算得到的阻力幅值发散低,数值相对稳定,计算误差较小,为极地冰区船舶与浮碎冰相互作用的阻力计算提供参考。     

船舶数字碎冰场构建与冰阻力计算方法研究

为验证数值方法计算精度,预报极地碎冰区船舶所受冰阻力,本文依据冰池试验中生成的碎冰航道以粒子喷射的方式构建相应的数字碎冰场,采用球形粒子填充的方式创建碎冰的离散元模型并与CFD方法相结合计算船舶在碎冰域所受冰阻力.依据HSVA冰池对某冰区油船开展的基于模型冰厚分别为37.1 mm、39.8 mm、46.3 mm及49.4 mm四种条件下的冰池试验,数值模拟了在同等试验条件下船舶所受冰的阻力.对比冰池试验,数值模拟过程中碎冰的运动状态、船冰间相互作用模式与冰池试验现象完全吻合,船体所受冰阻力计算误差在合理范围内,最大误差为29.45％.     

碎冰条件下冰区船冰水动力数值模拟研究

本文针对典型冰区航行船建立了CFD和DEM相结合的数值模拟方法。采用CFD方法计算船体流体力,DEM方法计算船体所受碎冰力,流体和碎冰间采用浮力和拖曳力模型。基于上述方法模拟的船冰作用现象与试验现象相吻合,在此基础上,研究了航速和碎冰厚度对船体冰力的影响规律。结果表明:随着航速的增加,船体冰力呈上升趋势,流体阻力的增加速度高于碎冰阻力的增加速度;随着碎冰厚度的增加,船体冰力增大。     

航行于碎冰区船舶冰阻力与冰响应探析

[目的]为了分析冰区航行船舶与碎冰之间的相互作用,[方法]运用离散元模型结合欧拉多相流,对船舶在碎冰区域航行时船体与碎冰之间的相互作用关系进行探索。计算不同航速、不同碎冰密集度下船体的受力情况,并对冰船接触冰时的运动响应进行分析,从直观上解释碎冰阻力的变化原因,以及桨前来冰的运动情况。[结果]得出船体所受冰阻力主要是由碎冰与船体表面的摩擦和碰撞产生,并随航速的增大而增大,但当航速增大到一定值后,碎冰阻力不再增加,甚至还有减小的趋势。[结论]研究的工作可为冰区船型优化及其螺旋桨设计提供理论支撑。     

冰区加强型散货船碎冰航道航行阻力数值计算研究

应用CFD-DEM方法对某型冰区加强型巴拿马散货船在碎冰航道航行的船舶阻力进行了计算研究。船-水相互作用建立在欧拉框架下,船-冰相互作用应用拉格朗日框架下的DEM方法实现。参照汉堡水池试验影像和试验参数建立DEM冰粒子和碎冰航道的计算模型。结果表明,CFD-DEM耦合计算方法充分考虑了船-水相互作用和流体与粒子间的相互影响,能较好地模拟了船-冰相互作用和发生的现象。船-冰接触力和总阻力随着船舶进入碎冰航道呈现逐渐增大,然后逐渐趋于平稳。数值计算的船舶总阻力值与试验结果对比,平均误差为5.03%,这项研究可为船舶在碎冰航道航行的数值预报提供参考。     

航道碎冰条件下极地船舶冰压力分布特性

[目的]为研究船舶与碎冰作用过程中船体冰压力的分布情况,对航道碎冰条件下的极地船舶进行数值模拟分析。[方法]采用离散元法（DEM）对船舶与碎冰进行建模,假设碎冰是由理想的二维圆盘构成,并考虑海流对碎冰单元的浮力、拖曳力及附加质量的影响;利用MT Uikku号冰水池模型试验结果对数值模型进行验证,对比分析不同航速和冰况对船体区域冰压力的影响。[结果]结果显示,当船舶在航道碎冰中运动时,冰载荷主要集中在船首;船首区域的冰压力随冰厚、航速和碎冰密集度的增加而增大,其中冰厚是影响冰压力幅值最大的因素;碎冰区航行船舶的首部区域冰压力影响最大,船首过渡区冰压力影响显著。[结论]所提数值分析方法可为极地船舶安全航行和结构设计提供一定的参考。     

冰-水耦合作用下船舶与浮冰碰撞动响应数值仿真研究

船舶在碎冰区航行时会受到浮冰的碰撞,为了准确模拟浮冰碰撞载荷作用下的船体局部结构承载特征,应当考虑碰撞过程冰-水耦合作用的影响。本文采用瞬态动力学分析程序MSC.Dytran对某水面舰船在碎冰区航行时受浮冰碰撞的动态过程进行数值仿真,得到了受浮冰碰撞下的船体结构响应、碰撞载荷及碰撞过程中的能量转化特征,对浮冰尺度、碰撞位置、舰船航速对船体结构响应及碰撞载荷的影响进行了分析并给出了相应的结论。本文研究工作对于碎冰区航行舰船的载荷确定及结构设计具有重要的参考价值。     

船体板架-模型冰碰撞模型试验与数值仿真

船-冰碰撞时船体的结构响应是极地船舶结构安全性研究的关键问题。制备非冻结模型冰、采用合理的缩尺比构建船体板架模型、基于合理的监测方法进行模型试验,试验完成后通过数据处理对结果进行分析;再利用相同的结构模型参数进行数值仿真,对比2种船冰碰撞研究方法。结果表明：各测点最大应力以及碰撞力吻合较好,验证了非冻结冰模型与板架力学模型的合理性,数据监测及处理方法的正确性以及所采用的数值模拟方法的准确性。     

冰区航行船层冰作用下的结构响应

船冰碰撞是一个复杂的动力学过程,如何得到碰撞中的冰载荷一直是船舶碰撞研究领域的热点之一.本文分别建立300000 t冰区航行船和层冰的有限元模型,基于弹塑性理论及非线性有限元理论,利用MSC.Dytran对其碰撞进行数值仿真,模拟了船首及层冰的接触碰撞过程,最终得到船冰碰撞过程中的碰撞力、船首结构响应、船航速变化及能量耗散等参数.分析船冰碰撞过程中的碰撞机理及特性,并对冰区航行船特别是其船壳提出结构加强的建议,为设计冰区航行船提供一定的参考.     

极地航行油船舱内液体制荡方法

航行于碎冰区的液货船舱室内的液体会因碎冰载荷的作用而产生晃动,从而对船舶的稳性产生负面影响.对此,通过元胞机技术建立碎冰域,采用商业有限元软件PATRAN建立船体模型,利用LS-DYNA模拟液货船的冰区航行过程,获得碎冰载荷对舱室液体的影响.通过对不同柔性挡板的减摇能力进行对比,利用ANSYS Fluent软件得出最佳的减少晃动的方式.计算方法和所得结果可供冰区航行的油船舱室设计参考.     

基于参数化设计的浮冰区船舶冰阻力研究

基于Voronoi图采用参数化设计工具对不规则几何形状的浮冰开展参数化建模,参照真实冰区测量信息,利用遗传算法对浮冰尺度概率分布开展了优化研究。考虑不同浮冰尺度范围,采用有限元方法对船舶在浮冰区航行的冰阻力进行了数值计算。研究发现:大尺度浮冰相对于小尺度浮冰而言,破碎更为剧烈;优化浮冰尺度概率分布的冰阻力峰值总体而言大于优化前,平均值则较小;数值计算结果在较大浮冰尺度范围内与经验值较为吻合,浮冰阻力平均值随浮冰平均尺度增大呈负指数幂函数减小趋势。文中提供了一种对浮冰尺度概率分布进行校正和优化的方法,对船舶在浮冰区的阻力预报具有一定参考价值。     

Dilated-polyhedron-based DEM analysis of the ice resistance on ship hulls in escort operations in level ice

The ice resistance on ships in escort operations in level ice are investigated using the discrete element method (DEM). A dilated polyhedron—generated by the Minkowski sum of a sphere and a polyhedron—is employed in the DEM; this dilated polyhedron-based DEM (DPDEM) is adopted to simulate the ship–ice interaction, wherein the contact force and bond-failure criterion are considered for the collision and fracture of sea ice, respectively. A three-point bending test was simulated with DPDEM, and a field test was conducted in the Bohai Sea to validate the DEM results. Further, a parametric analysis of flexural strength was conducted to identify the parameters involved in the bond-failure criterion. The ice resistance on icebreakers and cargo ships in level ice are simulated using DPDEM. The simulated ice resistances are compared with the Lindqvist and Riska formulas and the model test, which proves the validity of the DEM simulation. The interaction between ships and level ice is simulated parametrically to investigate the ice resistance on cargo ships with and without the icebreaker escort. Influencing factors such as ship speed, ice thickness, and ship breadth were examined to investigate the ice resistance on the escorted cargo ship. Analysis and change rules of the ice resistance on cargos affected by those factors were given.     

考虑海冰漂移的船舶冰载荷分布模型试验

本文针对一艘航行于北极海域的破冰船进行了一系列冰水池模型试验,试验中通过旋转船模的方式,实现了对海冰漂移速度与船舶航行速度的同时模拟.试验中重点观察了不同工况下船舶首、中、尾区域冰排的破坏模式,通过对触觉式传感器测得船体不同区域的冰载荷进行详细分析,研究了海冰漂移及航速变化对冰载荷分布的影响.     

冰区航行中船体结构冰压力分布特性的离散元分析

冰区船舶表面冰压力分布规律是其结构安全预警和冰载荷监测的重要辅助信息.本文采用基于GPU(Graphics Processing Unit)并行和粘结-破碎模型的离散元方法模拟平整冰在不同冰况条件下的破碎过程,进而获得船体结构表面的冰压力分布和大小.在冰压力的计算中,考虑时间上的累积效应,即累积最大值和累积平均值,从多个角度分析了船体结构表面的冰压力危险区域和冰压力分布特性.通过船体结构直行破冰的离散元模拟,分析了船体结构的总体冰载荷和局部冰压力.为验证本文方法在船体结构冰压力分析中的可靠性,根据冰载荷的IACS规范计算了船体结构与大块浮冰自由碰撞过程,对比分析了碰撞点上的冰压力.计算结果表明,离散元计算结果与规范对比误差保持在6.7％～18.1％之间.本文方法为冰区船舶的设计研发提供了可靠的分析手段,其计算结果可为船体结构的冰区航行安全预警和冰载荷监测提供合理的辅助决策信息.     

冰区航行船层冰作用下的结构响应

船冰碰撞是一个复杂的动力学过程,如何得到碰撞中的冰载荷一直是船舶碰撞研究领域的热点之一。本文分别建立300 000 t冰区航行船和层冰的有限元模型,基于弹塑性理论及非线性有限元理论,利用MSC.Dytran对其碰撞进行数值仿真,模拟了船首及层冰的接触碰撞过程,最终得到船冰碰撞过程中的碰撞力、船首结构响应、船航速变化及能量耗散等参数。分析船冰碰撞过程中的碰撞机理及特性,并对冰区航行船特别是其船壳提出结构加强的建议,为设计冰区航行船提供一定的参考。     

船舶在冰海的安全航行

人们永远也不会忘记1912年4月14日那一天晚上当时正在北太西洋海面快速脏行的崭新豪华远洋客轮“泰坦尼克”号驾驶台突然响起一阵急促的电话铃声，正在驾驶台值班的三副从电话中听到正在船头了望的水手发出的惊恐呼叫。“前面有冰山、冰山、冰山！冰山就在船头的正前方！”可惜报警太迟，船速太快。“泰坦尼克”客轮毫不犹豫地撞到球山上，大约90分钟后，     

天津港冰情分析及破冰对策

2000年冬季，天津港发生了自1969年以来最为严重的一次冰情。这次冰情给天津港船舶靠泊、航行带来很大困难。蛤天津港的生产来了一定影响。认真分析天津港的冰情及破冰对策，对保障港口在冰情期间的安全生产是具有十分重要意义的。     

Numerical simulation of level ice impact on landing craft bow considering the transverse isotropy of Baltic Sea ice based on XFEM

Ice bending is a major failure mechanism of level ice when ships and marine structures interact with level ice. This paper aims to investigate the ice bending and ice load when level ice collides on ships and marine structures using numerical simulation method, and compare the numerical results with field test. The fracture of ice is simulated with extended finite element method (XFEM), and cohesive zone concept is used to describe the crack propagation. In order to consider the characteristics of S2 columnar ice, a transversely isotropic elastic material model is used for the ice bulk elements, and a transversely isotropic Tsai-Wu failure criterion is adopted to predict the initiation of cracks. A well-controlled field test of a landing craft bow colliding with level ice in Baltic Sea is simulated to verify the numerical scheme. The ice plate's continuous deformation, crack initiation and crack propagation at different impact velocities and angles are simulated and the results are discussed. In the simulation, the bending crack emerges at the midline of the top surface of ice plate, then propagates towards free boundary, and finally a circumferential crack forms. It is found that with the impact velocity increases, the bending load increases and the fracture size (perpendicular distance from the crack to the contact edge) decreases. And as the angle between the landing craft bow and vertical direction increases, the bending load and the fracture size decrease. The simulated results corresponds well with the field test. The competition between the circumferential crack and radial crack is also found in the simulation and will be discussed in this paper. The results show that this method well simulates the bending of level ice and predict the ice load, and provides a good approach for investigating the mechanism of different forms of level ice fracture.