基于SPH-FEM算法的浮冰-水-船耦合作用数值模拟方法

针对计算机模拟极地船舶在冰区航行过程中同时受浮冰与海水影响的非线性与随机性等特点,本文将光滑粒子流体动力学与有限单元法耦合算法应用于某LNG船在冰水池试验航行时与浮冰碰撞的动态过程仿真中。阐述其耦合算法的基本理论与实现方法,模拟船舶航行过程中遇到不同密集度的浮冰工况,分别监测船体所受冰阻力的数值,观察浮冰运动情况,分析LNG舶与各密集度浮冰碰撞时阻力随时间变化规律,与经验公式比较。结果表明,该耦合算法模拟的LNG船航行于各浮冰工况符合真实情况,结果具有较高精度,为后续极地船舶的冰载荷研究提供了有力依据。     

基于规范应用的冰载荷分析研究

基于国际船级社协会极地冰级规范,研究了冰载荷计算公式,从挤压力计算、船冰作用工况、冰压力-面积关系、船级因子及船体区因子等方面研究了规范的理论基础。基于目前极地发展现状,本文分析了开展极地水面舰船规范研究的必要性,在分析现有国际船级社协会极地冰级规范不足的基础上,提出了极地水面舰船冰级规范的研究方向。     

基于体积力法的半悬挂舵和全悬挂舵回转性对比

针对半悬挂舵和全悬挂舵回转性能差异问题,建立用于模拟螺旋桨推力的体积力模型,评估两种不同形式舵的回转性。对标模KCS船型回转运动进行计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）模拟,船后螺旋桨作用使用体积力模型替代。开展半悬挂舵回转性CFD模拟,并与试验结果对比验证。设计全悬挂舵并模拟其回转性,与半悬挂舵回转性进行比较。结果显示,半悬挂舵除战术直径与试验结果相差9.48%外,其他回转特性参数与试验结果相差均在3%以内,说明基于体积力法模拟回转性具有较高的可信度。全悬挂舵的回转特性参数均优于半悬挂舵,说明全悬挂舵的回转性能更佳。     

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。     

冰水混合环境下船舶操纵性回转试验研究

针对一艘典型极地冰区船,开展了冰水混合环境下的船舶回转试验研究。试验采用70%密集度的非冻结模型冰,以全约束模型方式在旋臂水池中进行,测定了固定半径不同漂角下船舶所受到的纵向力、侧向力和偏航力矩。试验结果表明：在回转过程中,船体周围的碎冰产生了翻转和堆叠现象,船体与碎冰发生随机碰撞,影响船体水动力特性;随着漂角的增大,船体受力呈非线性的增加趋势。研究成果可为冰区船舶机动回转特性的研究提供技术依据和参考。     

考虑船-冰-水耦合的寒地航行实体靶船载荷响应分析

为了研究寒地海域航行实体靶船与浮冰发生碰撞过程中的载荷响应,基于S-ALE流固耦合方法和罚函数接触理论构建船-冰-水耦合的数值模型,展开冰-水耦合、船-水耦合以及船-冰-水耦合机理的研究,详细分析碰撞过程中产生的水阻力与冰载荷。结果表明,S-ALE方法在处理船-冰-水相互作用时可以较好地模拟碰撞场景。船体受载主要由水阻力与冰载荷构成,冰载荷占据主要成分。水阻力受到航速的影响,且水域对冰载荷起到了削弱作用;冰载荷随浮冰厚度、尺寸的增加而增加,浮冰尺寸的影响程度高于冰厚。     

极地物探船破冰阻力数值仿真及试验研究

由于极地物探船作业的特殊性,极地海域冰况对物探船阻力会产生较大的影响.开展极地物探船冰阻力性能研究对船型开发具有重大意义.本文利用数值仿真方法和冰池模型试验方法研究极地物探船在平整冰区的航行过程,并对比分析2种研究方法的试验现象和结果.研究表明:数值仿真方法可以较为准确地反映出极地物探船在平整冰区的航行过程和冰层的破碎...     

冰载荷作用下船体结构强度有限元分析方法

针对船舶在冰区航行过程中船体承受冰载荷的直接撞击作用,存在结构损坏风险的情形,旨在研究建立冰载荷作用下船体结构强度有限元分析的技术实施方法.分析船—冰相互作用特点,研究结构分析时冰载荷的理想化及施加方法,基于冰区船舶结构特点提出极地船舶有限元建模方法,考虑线性和非线性分析方法的差异研究结构强度校核准则,在此基础上,构建线性和非线性有限元分析方法在极地船结构强度分析过程中的实施方法和技术途径.通过实船结构船首和船中结构强度分析的计算验证,该方法具有较好的可操作性,可为极地船舶的结构强度分析提供参考.     

极地船舶规范及其主要技术发展

通过梳理极地船舶国际公约、规范技术现状，分析中国船级社建立的极地航行船舶规范特点，并结合我国极地战略及发展需求，总结未来极地船舶规范的技术发展趋势。针对极地船舶破冰技术、防寒技术和航行及保障技术等重要关键技术问题，从船舶结构冰载荷技术、冰载荷作用下的结构强度计算、冰载荷激励下螺旋桨和轴系强度、极地船舶防寒设计与低温试验验证、极地操作能力评估和冰区操作船体监测技术等方面进行阐述，提出了发展建议，为未来我国极地船舶规范体系的自主构建提供技术支持。     

船-冰碰撞的模型试验方法研究

为揭示船-冰碰撞过程中冰载荷的时空演变历程,对模型试验方法进行探索和研究。在对船-冰碰撞过程与相关规范技术背景进行分析的基础上采用触觉式压力传感系统,实现了对船-冰碰撞载荷的辨识、整体作用轨迹的勾勒,及载荷局部空间分布与时间历程特征的提取。然后通过对试验参数的逐级率定,形成了完备的船-冰碰撞模型试验方法。试验数据表明,在船-冰碰撞的冰水池模拟中,宜采用船体固定拖曳撞击自由漂浮冰体的模拟方式,撞击位置宜设定在船体的首柱附近区域,浮冰质量至少为1.5倍的船体排水量,浮冰边缘角度以90°为宜。论文提出的局部载荷空间分布与时间历程特征的测试与提取方法可为今后船-冰碰撞载荷时空演变规律的深入认识提供参考。     

基于减摇鳍辅助回转的船舶操纵性能研究

基于MMG分离式建模思想，考虑作用在船体、螺旋桨、舵、鳍的水动力作用，建立双桨双舵船舶四自由度非线性数学运动模型，对某船模在静水中的回转性能进行仿真分析，将单独舵控制的仿真结果与船模试验结果进行了验证和分析，并对比了单独舵控制和舵、鳍联合控制下的回转性能，结果表明鳍参与控制回转时能明显缓解回转过程中的横倾。     

碎冰区航行船舶螺旋桨载荷数值模拟研究

冰区航行船舶螺旋桨会与碎冰发生碰撞,产生的冰载荷对螺旋桨的危害较大。本文模拟冰锥与刚体碰撞试验以验证计算方法的可行性,基于ALE算法的流固耦合分析方法对不同冰层厚度、密集度以及螺旋桨进速的冰桨碰撞进行研究。研究发现,冰载荷与冰厚基本呈正相关性,冰厚大于0.75 m时,冰载荷成连续分布且最大值增长迅速。冰载荷平均值与冰区密集度呈递增关系,最大值与密集度不呈递增关系,当密集度大于7/10时,冰载荷影响剧烈。螺旋桨进速越大,冰载荷越大,进速大于1.5 m/s时,冰载荷增长迅速。通过冰桨数值模拟分析,为实际船舶螺旋桨在碎冰区航行提供参考。     

基于动力效应的船体远场冰载荷测量与识别

[目的]提出一种基于动力效应的冰载荷反演识别方法。[方法]针对船-冰相互作用过程和结构响应特性之间的卷积关系,使用格林函数建立描述冰载荷的卷积积分方程。针对"天恩"号极地运输船的北极航行,安装应变传感器测量船艏区域的冰激响应。对于求解矩阵的病态性与测量中的随机噪声,引入正则化方法解决识别计算中的不适定问题,并获取动冰载荷时程的数值近似稳定解。依托"天恩"号极地运输船的北极航行实测数据,通过船体在海冰作用下的应变响应对冰载荷进行反演识别。[结果]结果表明,格林函数能够有效识别远场冰载荷的时间历程。[结论]载荷识别的有效性受应变信号强度的影响较为明显。此外,在不同海冰破坏模式下,浮冰尺寸和船-冰接触面积是影响冰载荷特征的关键因素。     

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.     

中国新型极地考察船冰载荷预估研究

本文针对中国新型极地考察船所受冰载荷进行了研究,其中包含了平整冰阻力和浮冰碰撞力.对于船舶设计者和建造者来说,船舶冰载荷的预估非常重要.本文采用经验公式方法计算了该船在平整冰中航行的冰阻力,并且与模型试验结果进行了对比.结果显示,计算和试验结果中的冰阻力都随船舶航行速度的增大而增大,经验公式方法可以预测出合理的平整冰阻力.通过计算得到了该船的性能曲线,即该船在不同厚度平整冰中航行所能达到的速度.此外,本文还考虑了该船与圆形浮冰之间的三维斜向碰撞问题,采用解析方法评估了浮冰对船舶的撞击力,研究了撞击位置、法向框架角度以及浮冰尺寸对碰撞力的影响.基于计算结果,本文就冰载荷的预测进行了讨论并提出了一些建议.     

基于正则化方法的雪龙号破冰船冰载荷反演的研究

冰载荷是船舶在冰区航行中承受的最主要载荷。在冰、船碰撞过程中碰撞位置的随机性较强,导致实船冰载、荷识别方程求解存在着不适定性。论文针对雪龙号破冰船第八次北极走航,布放应变传感器阵列监测冰船作用过程中船体结构的响应,结合船体结构参数,建立测点位置和冰载荷作用位置跨区域的冰载荷反演数学模型,并用Tikhonov正则化方法求解冰载荷。计算结果表明该方法能有效识别冰载荷。将反演的冰载荷与国外相近破冰工况下破冰船承受的冰载荷进行对比,验证了论文使用的方法具有工程可用性。     

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。     

极地物探船冰载荷有限元计算方法

采用LS-DYNA有限元软件建立极地物探船的船-水域-海冰有限元模型，计算得到该型船在设计破冰厚度和设计航速下的冰载荷量和冰载荷时程曲线，并进一步研究冰体单元尺寸对冰载荷计算结果的影响。研究表明，冰载荷最大值随冰体有限元单元尺寸减小而减小。对比相关冰载荷经验公式计算结果，最终确定合理的冰体单元尺寸。研究结果对极地物探船的结构设计和结构安全性评估具有重要意义。     

中国新型极地考察船冰载荷预估研究（英文）

本文针对中国新型极地考察船所受冰载荷进行了研究,其中包含了平整冰阻力和浮冰碰撞力。对于船舶设计者和建造者来说,船舶冰载荷的预估非常重要。本文采用经验公式方法计算了该船在平整冰中航行的冰阻力,并且与模型试验结果进行了对比。结果显示,计算和试验结果中的冰阻力都随船舶航行速度的增大而增大,经验公式方法可以预测出合理的平整冰阻力。通过计算得到了该船的性能曲线,即该船在不同厚度平整冰中航行所能达到的速度。此外,本文还考虑了该船与圆形浮冰之间的三维斜向碰撞问题,采用解析方法评估了浮冰对船舶的撞击力,研究了撞击位置、法向框架角度以及浮冰尺寸对碰撞力的影响。基于计算结果,本文就冰载荷的预测进行了讨论并提出了一些建议。     

反复碰撞载荷下船体结构弹塑性动态响应研究进展

极地船舶与海洋工程结构在营运过程中会遭受到浮冰多次冲击、直升机重复着降以及供应船停靠等反复碰撞载荷,在这些反复碰撞载荷作用下船体结构会产生累积的塑性变形,这将会严重危害冰区船舶与海洋工程结构的使用性能和安全性能.本文主要从试验方法、数值方法和理论方法三个方面对反复碰撞载荷下船体结构塑性动态响应研究进展进行综述,对船体结构在反复碰撞载荷下的力学机理进行总结,对反复碰撞载荷下船体结构的伪安定现象是否发生进行了讨论.此外,本文针对一些反复碰撞问题的实际工程背景,总结了一些设计公式以及设计图谱,从而给极地船舶与海洋工程结构设计提供参考.