冰区航行船舶冰阻力数值研究进展

冰阻力是影响船舶在冰区航行性能的关键因素。当前主要的冰阻力研究方法有经验公式法、模型/实船试验法和数值模拟方法。数值模拟方式能够对船舶破冰的全过程进行快速模拟，且模拟成本低，参数易于控制 、结果较为准确，是一种比较适宜的冰阻力预报方法。随着计算技术的进步，各种数值模拟方法层出不穷，其中包括基于网格单元的有限元模型，基于无网格方法的离散元模型、SPH法、近场动力学模型等；近年来，网格模型与无网格模型的耦合方法也逐渐发展起来。文章简要梳理了冰区航行船舶冰阻力数值研究的进展，并基于研究现状提出尚需进一步解决的问题，意在为进一步提高冰阻力数值模拟精度提供参考。     

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。     

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。     

破冰船舵设备载荷计算方法

随着全球变暖,冰川消融,极区通航不仅为极区能源开采带来了极大便利,同时大大缩短了欧美与亚洲的航线距离。冰区航行中的船舶安全逐渐成为船舶设计建造时需首要考虑的因素。本文根据极地船舶航行特点,结合国内外行业规范对冰区船舶舵系设备的相关要求及载荷计算方法,运用冰/水动力学理论,研究舵系设备在冰带作用下的载荷算法,并运用有限元法对比了冰区与常规海况下舵设备的结构响应差异,可为实际冰区舵系设备的设计提供一定参考。     

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.     

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。     

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。     

冰区航行船舶操纵性研究综述

极地资源的开发和北方航道的通航对冰区船舶操纵运动性能提出了更高的要求和挑战。论文梳理了冰区航行船舶遭遇不同冰况时的操纵性特点,分析了冰区船舶操纵问题的本质,对国内外冰区船舶的全尺度和模型的操纵性试验、冰-船相互作用下的操纵性数值预报研究进展进行了介绍。冰区船舶操纵性的研究主要应用基于经验公式的半数值计算方法,仍是一个较新的领域。     

极地船舶冰区航行性能的试验预报技术发展现状

对于极地船舶而言，其设计建造必须依据先验性的冰区航行安全性能认识，而目前国际上可以借鉴的实船航行经验极度匮乏，这就必须借助有效可靠的预报方法。当前海冰力学与工程学的发展仍处于机理性探索阶段，因此，在理论方法与数值模拟上尚难以形成对冰区航行性能进行可靠预报的方法。据此，国际学术界和工程界已形成共识，冰水池模型试验是当前预报与评估船舶冰区航行性能的唯一可靠途径。文中从阻力、快速性与操纵性3个方面，对极地船舶冰区航行性能的试验预报技术发展现状进行介绍，并对其中的关键技术进行梳理，以期为业界充分了解冰水池试验测试技术提供借鉴。     

冰载荷冲击下的船舶推进轴系瞬态扭转振动响应分析

传统的推进轴系扭转振动响应计算聚焦于稳态响应,而传递矩阵法、系统矩阵法,可以取得满意的稳态计算结果,但无法处理冰区船舶、海洋工程船舶所遇到的变载荷、变惯量等瞬态工况。为了克服频域扭振计算方法在处理瞬态条件扭振问题的局限性,使用 Newmark 法从时域求解轴系扭转振动微分方程组,基于该算法对某船推进轴系在冰载荷作用下的瞬态响应做了数值计算。其结果表明,在冰载荷冲击下,轴系瞬态扭矩比稳态扭矩大;通过时频分析,在冰载荷作用期间,出现了明显的螺旋桨叶频激励,因此须避免冰载荷激励产生轴系扭转振动的叶次共振。 Newmark 法扭振计算结果与实船测试结果对比表明,该方法在稳态响应计算和时域曲线上都与实际测量结果基本一致,具有工程实用性。     

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。     

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。     

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。     

冰区航行船舶冰阻力研究方法综述

船舶在冰区航行时的冰阻力性能一直是国内外关注和研究的重点。冰阻力的研究主要集中在经验方法、数值模拟和实验研究三个方面。同时,由于冰区船舶在航行过程中频繁地与冰层或浮冰产生碰撞,海冰的材料结构和力学性质对冰阻力的研究有重要影响。文章从冰的物理力学特性出发,简要回顾几种重要的冰本构关系模型及其适用性;并从经验方法及试验与数值模拟相结合两个角度,回顾和讨论浮冰区和平整冰区中船舶的冰阻力性能研究进展;最后,基于研究现状提出尚需进一步解决的问题。文章旨在介绍冰区船舶冰阻力性能的研究进展,望能为后续冰阻力研究提供参考。     

计及结构变形能的冰载荷快速计算方法

借助解析方法估算出的船冰碰撞中舷侧3个典型碰撞位置结构变形能,对计算冰载荷的能量法进行修正和完善,得到计及结构变形能的冰载荷计算能量法,采用MATLAB编程计算得到不同接触面形状的有限大海冰与船舶舷侧3个典型位置相撞时的最大冰载荷和冰载荷随时间变化的曲线,实现了对冰区航行船舶局部冰载荷快速而准确的估算。     

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.     

大型船舶冰区结构加强技术研究

冰区航行船舶,船体结构受到冰载荷的作用而产生应力。本结合１１万吨级成品油船冰区加强结构设计,简述规范设计要求及理论计算方式,即碰撞模型的二维模拟计算方法。     

基于离散元模型的冰阻力数值研究

为了研究船舶冰阻力的预报方法,采用离散元模型对冰区航行船舶在平整冰中航行的冰阻力进行数值计算。船体结构由三角形网格离散,同时利用具有粘结-破碎特性的球体单元、三维拓展圆盘和拓展多面体单元构造海冰的离散元模型,并考虑拖曳力和浮力对海冰的影响。本文基于离散元方法,计算船模受到的总的冰阻力,研究海冰厚度、弯曲强度和航行速度对冰阻力的影响,并与Lindqvist经验模型计算的冰阻力进行了分析比较。研究结果可为冰区航行船舶冰阻力预报以及初步设计优化提供参考。     

计及流体影响的船舶回转冰阻力数值模拟

[目的]极地船舶在极地航行时,复杂的冰阻力不仅会给船舶带来结构上的威胁,还对船舶的操纵性提出了新的挑战,尤其当船舶在层冰区中进行转向运动时,挑战更大。近年来的研究主要集中在船—冰碰撞的强相互作用上,而少有研究流体对冰阻力的影响。[方法]采用非线性有限元法,基于适当的冰材料模型和合理的耦合破坏模式,研究船舶回转运动过程中冰与船之间复杂、强烈的非线性相互作用。同时,采用流固耦合方法,研究流体对船—冰相互作用的影响。[结果]数值结果与经验公式的对比确定了模拟的有效性与可靠性,其中对比有、无流体作用时船舶受到的纵向、横向和垂向冰阻力情况显示,计及流体影响时,船舶的冰阻力在3个自由度上会有明显提升。[结论]船舶破冰回转运动中考虑流体对冰阻力的影响,能准确预测船舶回转时的冰阻力且能有效保证船舶的航行安全。     

船舶浮冰区回转运动一体化数值分析

针对极地船舶浮冰区纯自航回转性能，以体积力代替螺旋桨，考虑船体、浮冰、流体、螺旋桨和舵等因素，采用计算流体力学（CFD）和离散元方法（DEM）进行浮冰区极地船冰载荷和回转运动性能求解，开展无冰水域、不同密集度浮冰水域的双桨双舵极地船的回转运动数值模拟，分析极地船冰载荷和运动特性。极地船在55%密集度浮冰区的回转直径约为无冰水域的1.60倍，在75%密集度浮冰区的回转直径约为无冰水域的1.88倍。极地船与浮冰碰撞是随机的，船体在回转过程中所承受的载荷及运动特性具有随机性。