极地海域撬冰式破冰拖船关键技术应用研究

针对破冰船的破冰结构和船体艏艉线型形状对破冰效率的影响问题,基于船体艏艉型线和形状及撬冰式冰刀结构形式的研究和探索,提出了破冰船的破冰冰刀设计方法。同时,阐述了船体艏艉形状对破冰效果的影响,论证了两种方法用于常规动力破冰拖船的实际效果,得出了通过对船体艏艉型线和形状以及撬冰式冰刀结构形式的优化设计能够达到小吨位海工船破冰目的的结果,并取得了较好的实效。     

不同船首构型的冰区邮轮破冰性能研究

由于冰区邮轮航域的特殊性,冰区邮轮仍需具备一定的破冰性能,开展船首构型对破冰性能的影响研究对冰区的船型开发具有重要的工程指导意义。本文通过建立不同船首构型的冰区邮轮模型,采用ALE方法数值模拟各船型在冰区中以恒定航速连续式破冰前行的运动场景,分析研究不同船首构型的冰区邮轮破冰性能差异。研究结果表明：在船首倾角20°～30°范围内,船体所受的冰阻力先随着船首倾角的增加而降低,在22.5°时达到最低,之后随着船首倾角的增加而逐渐增大;首倾角为22.5°的ModelⅡ船型在破冰航行过程中,船首应变区域最小,因碰撞产生断裂的冰块尺寸更小,从而降低了该船型的冰阻力,其破冰性能在5种对比船型方案中最为优异。     

不同船艏类型破冰模式差异的数值预报分析

船艏形状是决定破冰船破冰性能的关键要素之一.为了探究不同船艏型线特征对破冰船破冰性能的影响,本文采用常规型近场动力学方法建立了平整冰层的无网格数值模型,提出了一种基于几何数学概念用于解决冰粒子与船体碰撞问题的接触检测算法,最后应用消息传递接口(MPI)并行技术搭建了破冰船破冰过程的数值预报方法,并在FORTRAN语言环境下编写了相关计算程序.基于该仿真程序,分别预报了传统型破冰船艏形状和非传统型破冰船艏形状连续冲破平整冰层的过程,并对传统型破冰船艏的计算结果与试验结果进行了比较,验证了本文所搭建的模型的准确性.对比了两种不同船艏破冰船的破冰模式和破冰载荷特征,分析了两种破冰船艏形状各自的优缺点.本文进行的研究对于破冰船的设计具有一定的工程参考价值.     

大型半潜船球首设计及阻力性能对比分析

在船速较低的肥大型船舶上，安装球鼻艏会在很大程度上降低船舶受到的阻力，球艏对艏部型线有缓和的作用,使船舶艏部水流发生改变,减少艏底漩涡,从而降低形状阻力，进而改善船舶的水动力性能。根据设计的10万吨级半潜船船型的船模静水阻力试验情况，该船舶船首由直立型改为球鼻艏型式，通过对原型和改进后的船型的阻力试验结果进行对比，检验了新船型的减阻性能，同时对船尾伴流场进行了研究，发现船首形状改变对尾部半流场影响不大     

基于流固耦合方法的船舶破冰阻力参数敏感性研究

本文基于带有塑性应变失效准则的弹性断裂失效模型建立平整冰有限元模型,采用LS-Dyna流固耦合方法对船舶在平整冰条件下航行的冰载荷开展了数值模拟,选取航速和平整冰厚度作为敏感性参数,分析了参数变化对破冰阻力的影响。研究发现:各方向上的冰载荷在时域上均存在一定的周期性,冰层在船艏撞击和浮力作用下,通常以多种破坏模式的混合方式同时出现;船舶在平整冰环境下的破冰阻力随航速和冰厚的提高基本呈线性增加的趋势,不同航速及冰厚条件下的破冰阻力数值计算结果与Lindqvist经验值的误差分别在-7.5%～13.1%和-10.8%～19.4%范围内,采用LS-Dyna流固耦合方法对船舶破冰阻力进行预报具有较高精度。     

基于CFD的金枪鱼延绳钓渔船球鼻艏形状研究

以49.5 m金枪鱼延绳钓渔船为研究对象,为了得到具有较好阻力性能的球鼻艏,首先设计撞角型球鼻艏,通过CFD方法得到撞角型球鼻艏渔船的阻力性能并与模型试验结果进行比较,两者吻合较好;然后通过改变球艏的伸出长度、形心浸深和体积为该船设计水滴型和S-V上翘型球鼻艏,对水滴型和S-V上翘型球鼻艏形式的船体阻力性能进行数值模拟。通过比较三种不同球鼻艏形式下船体的阻力性能,结果显示:该型延绳钓渔船使用撞角型球鼻艏具有较好的减阻效果。     

基于流固耦合方法的极地船型破冰性能研究

破冰性能是极地船舶总体性能的重要组成部分,开展极地船舶破冰性能理论研究对极地船舶的船型开发具有重大意义。论文选用带有塑性应变失效准则的弹性断裂失效材料模型模拟平整冰层,采用LS-Dyna流固耦合方法模拟极地船舶在极地无限冰区中连续破冰航行的场景,分析3种不同船型船舶的破冰性能差异。研究结果表明,在平整冰区连续破冰航行过程中,极地船舶所受冰载荷具有高度非线性震荡特征,船首与冰层直接作用区域的应力呈环状分布。直立型首和球鼻型首极地船型主要使冰层发生挤压破坏,而破冰型首极地船型能够有效引导冰层发生下压弯曲破坏,并最大程度地限制冰层的挤压破坏,其破冰性能优于其余两船型。     

某型极地破冰船的艏部线型优化

极地破冰船首部线型的优化设计,既需要考虑在冰区作业时的破冰能力,又要兼顾其在敞水域中的航行性能.该文基于不同的冰阻力预报经验公式,对冰阻力和破冰船首部特征参数进行敏感性分析,提出破冰性能较佳的首部特征参数取值范围,并兼顾敞水域阻力性能进行首部线型优化.经过敞水域中的模型阻力试验验证和冰区中的阻力数值模拟验证,优化方案在敞水域中设计航速附近的阻力增加约2％,但在不同层冰厚度下、破冰航速时的冰阻力下降7％～12％.     

破冰型大型航标船线型开发设计及破冰阻力评估研究

结合北海航海保障中心大型航标船的破冰功能需求,为本船选取合理的推进功率,对本船具有破冰功能特点的线型设计进行分析论述,同时运用破冰阻力经验公式对本船在一定冰厚和航速下的破冰阻力进行估算,结合冰池试验结果对破冰阻力数据进行对比分析,并进行冰区航行的快速性评估。     

艏艉破冰模式极地船冰区划分及冰载荷弯矩剪力对总纵强度的影响

对于首尾破冰模式的极地船舶，规范中并没有详细给出其冰带划分的方法，仅仅提到尾部破冰参考艏部破冰区域划分，但由于船体尾部线型和艏部线型差距较大，故并不能很好的适用，本论文以一艘PC4级110kt极地原油船为例，就此针对尾破冰模式进行冰区带划分。 另外冰载荷产生的弯矩剪力对船体总体强度的影响也在本文中论述。     

"雪龙2"号南极首航破冰试验

为在自然条件下实尺度测试"雪龙2"号的破冰能力,2019年11月"雪龙2"号在南极首航期间,中国在南极考察站——中山站附近普里兹湾固定冰区,首次自主开展了一系列专业破冰试验.通过选取破冰区域、实地测量冰雪厚度、钻采冰芯测量冰温度和盐度、切取完整冰坯并加工冰梁,完成了冰弯曲强度试验和艏艉双向破冰时的实船数据测量,首次获取了中山站附近固定冰的弯曲强度力学特性,成功验证了"雪龙2"号的破冰能力.本文详细介绍了"雪龙2"号现场破冰试验,并根据测量的海冰特性和船舶破冰航行数据对其艏向破冰能力进行了初步评估,摸索了一套在极地冰区开展破冰船破冰试验的方法,同时也对现场破冰试验中需要改进的方向提出了思考,可为我国新的破冰船建设提供参考.     

破冰船阻力性能估算

在预测船体冰阻力数值方法中,有许多不同的公式可以用来估算不同冰况下工作的船体冰阻力。其中模型试验仍将是最准确的预测,但其他的一些方法也可以给冰阻力的估算提供依据。对破冰船的破冰方式在破冰过程中所受的阻力进行分析,探讨其在不同冰况下的冰阻力成分,分析各种冰阻力计算公式,然后对1艘破冰船进行实际计算,最后分析各公式计算结果以及各种方法的优缺点及适用范围。     

基于破冰作业目标的破冰船艏型线设计研究

从破冰船破冰能力的若干影响因素讨论入手,借鉴海洋工程结构与海冰相互作用的研究成果,解释破冰船艏形状与其破冰能力之间的一般规律,为破冰船艏的型线设计,特别是艏柱直径、纵剖线倾角、水线面进流角、肋骨外倾角等关键参数的合理选取提供了依据,并对破冰船艏底部向后至平底区域过渡型线给出了建议。     

极地船连续破冰阻力数值模拟研究

连续破冰是自破冰型极地船舶中最常用的破冰模式,连续破冰阻力精确计算是极地船舶航行性能预报和船型优化设计的基础。论文提出一种基于预设冰网格技术的连续破冰阻力数值模拟方法,预先对船体水线附近的线型进行分层离散及对冰场进行方形网格离散,通过几何计算和受力分析数值模拟连续破冰进程及产生的破冰阻力分量。进一步考虑连续破冰阻力与运动耦合效应,在时域内建立船体6自由度运动微分方程,数值求解获得连续破冰阻力时间历程结果。利用该数值模拟方法计算获得了一艘PC3级极地油船连续破冰阻力时间历程结果,并将冰阻力有义值与对应的模型试验结果进行了对比。研究表明,数值模拟获得的连续破冰阻力时历结果能够反映连续破冰进程,数值模拟获得的冰阻力有义值与模型试验结果的误差在12%以内。论文的数值模拟方法能够高效、精确地模拟连续破冰进程及冰阻力,具有一定的工程应用价值。     

基于非线性有限元法的船舶冰区破冰数值模拟

应用非线性有限元法进行了破冰船冰区破冰数值模拟。通过比较数值模拟结果和试验结果,对冰体材料模型进行了验证;采用该冰体材料模型,对破冰船以不同航速在不同厚度的层冰中破冰航行时的动态响应进行了数值研究,给出了破冰过程中层冰的变形、冰力的大小以及冰的变形能和动能变化,分析了船速、冰层厚度对破冰阻力的影响。该研究结果对分析破冰船在层冰中破冰时的动态响应特性具有一定的参考价值。     

穿浪单体船型水动力性能的CFD数值模拟研究

为了研发低阻、高耐波性新船型,以某圆舭船型为参考船型,设计了穿浪内倾深V型主船体,并设计了半潜艏和水滴形球鼻艏两种形式的艏部附体。基于CFD数值模拟分析不同主船体和艏部附体对于船舶横摇稳定性、静水阻力和耐波性的影响。通过水池模型试验进一步研究不同船型的耐波性,并验证了CFD数值方法的准确性。研究表明,深V船型的横摇和纵摇稳定性优于圆舭船型,且在高航速时深V船型的静水阻力性能也优于圆舭船型。在高航速下,水滴形球艏有利于减小深V船型的兴波阻力和波浪增阻,而半潜艏对于提高船舶纵向稳定性具有更加显著的效果。     

一种适用于大方形系数半滑行艇的浅槽消波艇型和阻力的试验研究

研究适用于大方形系数半滑行艇的浅槽消波艇型,在常规尖舭方艉艇型的基础上进行改进设计,在艇底部设计了一个从艏部至舯部的浅槽道,以改善阻力与兴波性能。开展了该新型浅槽消波艇型与常规艇型性能的对比试验研究,分析了艇体周围流场、艏、艉兴波、航行姿态及阻力的试验结果,表明新型浅槽消波艇型具有艏艉兴波小、艇体阻力低等特点。     

片体形式对WPCat快速性和耐波性的影响

高速穿浪双体船(WPCat)是一种集合了风浪快速性、耐波性、稳性和运输效率等多方面优势的新船型,适合在高海况的海域航行,具有良好的航向性能和经济性能。其片体线型是影响其阻力性能和耐波性能的一个重要因素。为了探索最优的片体形式,设计了不对称型、深V型、圆舭型、深V球艏型和圆舭球艏型五种不同形式的片体,在等排水量、同主尺度及船型系数相近的前提下,应用Hullspeed和Seakeeper程序对WPCat选用不同片体方案时的静水阻力和耐波性进行了计算。计算结果从静水阻力、波浪增阻及横摇、纵摇和垂荡3种运动响应等角度进行综合分析比较,结果显示选用深V型片体综合优势明显。这一结论为WPCat船型的片体设计与选择提供参考。     

基于多目标优化算法NSGA Ⅱ的极地穿梭油轮型线设计

[目的]随着北极丰富油气资源的不断开采,需要大量满足极地航行要求的船舶。[方法]将非支配排序遗传算法(NSGA Ⅱ)应用于船体型线优化设计,提出极地船舶多目标优化方法。以船舶无冰静水阻力以及冰区航行阻力为优化目标,通过极地船舶排水量以及船舶能效设计指数EEDI两项标准进行船型筛选,快速实现满足冰区船舶装载量与EEDI排放要求的船型优化。以常规6.5万吨穿梭油轮为研究对象,采用全参数化建模方式,通过极地船舶多目标优化方法分别对3种不同艏部形式的船型进行优化,[结果]优化后的船型均满足冰区IA级航行要求,其中无冰静水阻力最大减小约12.94%,冰区最小推进功率最大减小约27.36%,[结论]有效验证了基于NSGA Ⅱ的极地船舶多目标优化方法的可行性与合理性。     

破冰结构与冰载荷相互作用下的破坏模式和损伤机理研究

本文首先利用LS-DYNA建立各向同性粘塑性有限元数值模型,并结合ISO推荐压强-面积理论曲线和相关学者的实验数据,验证数值模型的可靠性。其次,比较两种典型破冰结构的破冰机理和破冰效果,对破冰船在行进方向受到的阻力分别与首部外板倾角和水线面首部夹角的关系做了讨论。最后,分析了普通船舶船首与冰层碰撞时的损伤特点。结果表明：冰刀式破冰结构的破冰作业效率比压溃式更高,而压溃式破冰结构的安全性要比冰刀式更好;船舶与冰排相撞时,船首的易受损部位主要分布在首柱后侧临近区域和两侧船-冰接触区域,其中外板吸能最多,横向骨材吸收撞击时所产生的能量多于纵向骨材。因此,要结合实际航行水域的冰情、船舶功能和主机功率等因素,才能选取合适的破冰结构以达到最好的破冰效果;在破冰船船首设计和建造时,应增加船-冰碰撞区域船首外板的厚度,船首结构尽量采用横骨架式结构。