冰载荷下的船舶运动建模

针对破冰过程的几个典型阶段,分析和计算冰载荷对船舶的作用力,并应用破冰船模型考察了冰载荷在不同的冰密集度、冰厚以及不同航速下对船舶的不同影响。计算结果表明:冰厚、海冰密集度和航速对船舶所受到的冰载荷作用力皆有影响,其中冰厚和航速对其影响较大,海冰密集度对其影响相对较小,但船舶所受冰载荷作用力皆因这三种因素的增大而增大,所采用的计算模型可为后续冰载荷计算提供一定参考。     

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.     

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。     

冰载荷下的船舶运动建模

随着极地航道的开辟以及极地海洋能源开发的需要,海冰与船体的相互作用以及极地船舶航行与作业安全越来越受到关注。本文主要针对破冰过程的几个典型阶段,对冰载荷对船舶的作用力进行了分析与计算,并考察了破冰船在不同的海冰密集度、冰厚以及船舶不同航速情况下的不同影响。     

破冰船首部与侧部接触加载工况下海冰弯曲破碎过程

在破冰船对海冰接触加载过程中，海冰会发生以径向和环向开裂为表现形式的弯曲破碎过程。海冰首先径向开裂再环向开裂的弯曲破碎过程与海冰首先环向开裂的弯曲破碎过程将导致不同的冰载荷，因此，明确不同接触加载工况下的海冰弯曲破碎过程是理论计算冰载荷的前提条件。文章针对破冰船首部与海冰直线边界接触加载、破冰船首部与海冰凹进边界接触加载，以及船侧部与海冰直线边界接触加载这3类工况，采用弹性地基薄板理论，对控制方程进行归一化处理，并通过有限元法求解归一化控制方程，分析不同工况参数下的海冰弯曲破碎过程，得到上述3类工况下的海冰弯曲破碎过程判断依据。分析结果表明：当船体与海冰接触区域尺寸较大且冰厚较小易发生先环向开裂的弯曲破碎过程，反之则易发生先径向开裂再环向开裂的弯曲破碎过程。     

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。     

四边刚性固定矩形板塑性设计公式

由于船体结构在轮压、冰载等作用下板厚采用塑性设计,需要求得塑性阶段解答,Lin Hong和J?rgen Amdahl提出了针对四边刚性固定,承受部分均布横向载荷矩形板的“双钻式”失效模型。为进一步提高“双钻式”模型的适用性,本文采用非线性有限元方法,通过变化板厚以及载荷作用区域的大小等因素,对Lin Hong等人“双钻式”失效模式下的塑性设计公式进行了拟合修正,得到了适用于求解冰载荷作用下船体板结构塑性阶段载荷变形关系的计算公式,该公式可用于冰载荷下船舶舷侧板的强度校核。     

基于高性能离散元方法的极区浮式平台冰载荷数值分析

[目的]冰载荷是极区浮式平台结构安全性分析及完整性管理的重要输入,建立快速有效的冰载荷预报技术可保障浮式平台的安全运营。[方法]基于CUDA-C并行处理技术,建立可用于海冰模拟的高性能离散元方法 (DEM)。采用Voronoi分割算法生成平台作业时的碎冰域,其海冰由具有黏结-失效效应的球体单元组成,且黏结单元的破碎由失效准则控制。平台结构由三角单元构成,考虑其在浮力、锚链恢复力及冰载荷共同作用下的六自由度运动。[结果]由模型计算得到,浮式结构在海冰持续作用下的总体冰载荷合理分布在实测数据范围内。[结论]极区浮式平台冰区运行时冰载荷受冰厚影响较大,应配套破冰服务以减弱其作业区域的冰情。     

不同类型层冰载荷作用下船首结构响应研究

由于北极地区冰情复杂,分布着大量无规则浮冰,因此极地运输船在航行过程中难免会与冰区浮冰发生碰撞,引起船体结构响应。本文基于Ls-dyna软件构建船水冰全耦合模型,对极地运输船舶与规则层冰和不规则层冰发生碰撞分别开展数值模拟,对冰厚和航速2种不同工况条件下的船首结构损伤变形及碰撞力均值进行对比分析。研究发现,不规则层冰载荷下引起的船体结构响应更为剧烈,碰撞力均值更大,为北极冰区运输船的航行安全提供了参考。     

冰载荷的特性研究

应用六自由度数值模型对某破冰船的连续式破冰过程进行数值模拟,得到其冰载荷的时历,并将其与试验结果进行比较,验证该方法的正确性,同时分析冰载荷动态性变化的原因。通过计算得到破冰船在不同速度及冰厚条件下的冰载荷和运动响应,以及航速与船舶冰载荷之间的关系。     

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。     

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.     

冰区航行

在高纬度航区航行时，经常遇到冰况，因而本文作者从船舶接近冰区前的准备工作，到冰区航行时的船舶如何操纵，车舵、风、流的如何利用，以及必要时如何锚泊，以至遇到困境如何申请破冰船的解救，以亲身感受提供给同行。     

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。     

冰区航行(续1)

2.6 浮冰 如果大的块冰封住航道,尽管它不是特别坚实,亦不要试图去撞碎它,最好的办法是尽可能地绕开它或是慢慢顶住它,然后加车,将其推向前方,最后滑向一边,一旦清爽可以通过时则应适时减速,以免快速撞击另外较大的冰块.     

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。     

冰水池发展现状及趋势

冰水池是一种服务于冰区船舶与海洋工程结构物设计、建造的模型试验水池。其通过模拟寒冷海域水面自然冻结状态,结合各种冰情环境实现试验室条件下的模型冰力学性质相似。在冰水池内,试验人员以一定模型试验相似率为基本准则,分析目标试验对象在冰区作业工况下的主要性能,并开展相关参数测量、数据分析的研究工作。本文基于对国内外主要冰水池及其试验技术的研究,从试验设施发展现状、试验关键技术及未来的发展趋势几个方面来展开分析。     

冰区加强的含义及相关问题

2008年3月，接到浙江欣海船舶设计研究院的信息反馈．称围绕国内非入级船舶有两种令人尴尬的意见：一是因结构设计未进行冰区加强，船舶被限令在冬季不能进入青岛以北的海域。二也因同样原因．被责令删除结冰稳性的计算，否则不被确认船体图纸的统一。2008年6月．在CCS系统新进人员培训班上．也有验船师透露．海事部门在检查航行船舶时，对没有B级冰区加强的船舶．冬季到渤海湾要采取“扣船“行动。     

Glacial ice impacts: Part I: Wave-driven motion and small glacial ice feature impacts

Glacial ice features in the northern and central Barents Sea may threaten ships and offshore structures. Particularly, small glacial ice features, which are difficult to detect and manage by concurrent technologies, are of concern. Additionally, small glacial ice features are more susceptible to wave-driven oscillatory motions, which increases their pre-impact kinetic energy and may damage ships and offshore structures. This paper is part of three related papers. An initial paper (Monteban et al., 2020) studied glacial ice features’ drift, size distribution and encounter frequencies with an offshore structure in the Barents Sea. The following two papers (Paper I and Paper II) further performed glacial ice impact studies, including impact motion analysis (Paper I) and structural damage assessment (Paper II). This paper (Paper I) studies the wave-driven motion of small glacial ice features and their subsequent impact with a given offshore structure. The aim here is to develop a numerical model that is capable of efficiently calculating the relative motion between the ice feature and structure and to sample a sufficient amount of impact events from which statistical information can be obtained. The statistical information entails the distributions of the impact location and associated impact velocities. Given the distributions of the impact velocities at different locations, we can quantify the kinetic energy for related impact scenarios for a further structural damage assessment in Paper II (Yu et al., 2020).In Paper I, a numerical model that separately calculates the wave-driven oscillatory motion and the mean drift motion of small glacial ice features is proposed, implemented and validated. Practical and fit-for-purpose hydrodynamic simplifications are made to simulate and sample sufficient impact events. The numerical model has been favourably validated against existing numerical results and experimental data. A case study is presented where a 10 m wide glacial ice feature is drifting under the influence of surface waves towards an offshore structure. The case study shows that if an impact happens, the overall impact location and impact velocity can be best fitted by the Normal and Weibull distributions, respectively. Additionally, the impact velocity increases with impact height. Moreover, the impact velocity increases and the impact range is more dispersed in a higher sea state. It is also important to notice that the approaches and methods proposed in this paper adhere to and reflect the general requirements stated in ISO19906 (2019) and NORSOK N-003 (2017) for estimating the design kinetic energy for glacial ice impacts.