极地某构型船首与浮冰碰撞的数值模拟研究

近年来，随着北极海冰的覆盖面积和厚度不断减小，极地航行装备越来越受到关注。北极航区相较于传统航区，海冰与船舶进行更频繁的相互作用，是造成船体结构疲劳损伤的主要原因之一。因此模拟海冰与船碰撞的动态过程，并对影响因素进行分析，对于预报在极区航行的船舶结构动力响应有着重要作用。文章提出了可应用于商业软件LS-DYNA的模拟冰材料参数，并根据ISO的P-A曲线验证了其可行性，构建了船首模型；在船首航行方向速度分别为5 kn、6 kn和7 kn，浮冰尺寸为10 m×10 m×0.6 m的工况下，模拟船首与浮冰碰撞的过程并进行参数影响分析。     

基于冰区快速性预报的极地小型邮轮通航信息细化方法

极地邮轮航线规划是冰区航行安全性和经济性的重要保障。面向极地小型邮轮航线规划的需求，基于冰水池模型试验进行了冰区航行快速性预报，提出细化的冰区航行风险评估方法，并给出不同海冰条件下的可达航速建议。据此建立了精细化的通航信息地图，为航线规划打好基础。     

海-冰-气无人冰站极地工作环境下的结构特性研究

本文提出一套海-冰-气无人冰站系统,其能对北冰洋浮冰区海洋-海冰-大气三界面进行长期连续观测,观测内容可为北极海冰快速变化机制的研究和冰区船舶航行保障提供重要支撑.介绍了海-冰-气无人冰站的系统设计和结构设计,分析了无人冰站海洋工况的稳定性,利用有限元分析软件ABAQUS对无人冰站的极区抗风能力进行了仿真与分析,研究了无人冰站结构的受力情况,为其结构设计提供了依据.设计并研发的三套无人冰站系统分别于2018年、2019年、2020年在北冰洋中央区被成功布放并取得了良好的观测效果,验证了无人冰站系统的适用性和可靠性.     

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。     

极地通信导航及探冰设备现状与发展

极地通信导航能力是船舶实现极区科考及安全航行的基础保障，目前国内对极区通信导航理论层面的研究较多，有关惯性导航坐标系编排、卫星导航极区可用性和多传感器组合导航等方面均有大量资料可供参考，但现阶段国产极地通导及探冰设备在极区高纬度航行工程应用尚存在空白。为从系统层级解决设备在极区的工程应用问题，该文结合理论分析极区环境的特殊性、船基座方式对通导探设备性能的影响，对探冰雷达、惯性导航、卫星导航、电子海图及卫星通信等设备在极区的研究现状进行了全面梳理，研究通导探冰设备设计思路，探讨了国内通导及探冰设备后续研发方向。     

冰水池中海冰模拟技术现状与关键问题

冰水池模型试验对发展冰区船舶海洋工程和推进极地开发利用起到至关重要的支撑作用，其中完备的海冰模拟能力是进行冰区装备模型试验研究进而开展航行作业性能和安全性预报与评估的关键技术保障。本文总结了国内外冰水池海冰模拟技术现状，比较分析了两种类型制冰技术及其模型冰的物理力学特性，给出了冰水池海冰模拟能力发展趋势；同时，明确了冰水池中海冰模拟的关键问题，剖析了先进制冰技术研发面临的技术挑战，可为进一步开展相关基础研究、探索科学的模型冰制备方法提供引导。     

基于海冰厚度的cryosat-2估计算法在破冰船中的应用

近年来,破冰船在极地海洋资源开发、科学考察、极地求援等领域发挥着越来越重要的作用。由于极地海洋环境的复杂性,海冰厚度对破冰船的航行安全和破冰性能产生直接影响。如何及时准确获取海冰数据成为人们研究的重点。本文深入研究海冰厚度估算原理,提出基于crysoat-2卫星测量数据的改进海冰厚度估算算法。     

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。     

面向极地航运的卫星观测技术发展研究

极地是人类生存和发展的新疆域,是未来大国之间围绕生态安全、利益福祉和战略合作的制高点,我国在极地科考、搜索救援、航道开发等方面面临新的需求和挑战。提升极地全球治理与安全保障能力,实现极地全域的实时感知、利用和主导治理已成为极地强国的标志。欧美日等地区和国家已加快发展极地环境认知的立体观监测能力,而我国的极地进入与探测能力仍存在明显短板,相关冰区和海区的第一手资料依旧缺乏,迫切需要加大对极地卫星技术的研发投入,提高极区数据获取和采集能力。该研究侧重面向极地船舶航运的现实需求,系统论述国内外现有极地遥感卫星观测技术现状,提出我国极地天基观测系统的发展趋势,为论证新增极地卫星装备体系能力、制定顶层框架和发展路线提供支撑,支撑我国进入、开发和利用极地,增强在全球地缘政治敏感区和战略区国际重大事务中的话语权与影响力。     

冰区船舶模拟航行设计与自动评估方案

冰区航行模拟器的研发需要完整的需求方案,而国内具有丰富的极区水域航行经验的人员较少,业内无系统且全面的冰区航行模拟器研发需求方案可供参考。在分析《海员培训、发证和值班标准国际公约》(International Convention on Standarks Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers, STCW)、《国际极地水域营运船舶规则》和国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)示范课程等资料的基础上,借鉴冰区水域船舶事故类型特点、国外冰区航行培训经验和中国极地考察船航行经验,通过凝练极区水域基本培训模拟器强化训练的内容,设计典型模拟航行任务及相应的模拟场景,初拟冰区模拟航行的组织方法,构建关键评估指标和智能评估方法,为冰区航行模拟器的研发和相应的训练提供完整方案。该方案可作为极地船舶航行实训和评估指南,供海事主管机关、航海院校和航运公司参考。     

极地航行船舶轮机管理要点探析

随着全球变暖和北极海冰快速减少,国际航运界正在积极开发北极航线。但同时,极地航行的环境、航道条件非常恶劣,船舶轮机管理者面临着极大的困难和挑战。通过分析极地航行的特点以及因此导致的极地船舶动力装置的特殊设计,归纳总结极地航行船舶动力装置的管理要点,以期为极地航行船舶的轮机管理提供参考,并最终实现船舶在极地水域的安全航行。     

北极航线的海冰风险计算与航段安全评估

为保障船舶在北极航线的航行安全，研究基于多源冰情数据的海冰风险评估流程。根据海冰密集度、海冰厚度、海冰类型等遥感冰情数据，基于极地操作限制评估风险指数系统(Polar Operational Limit Assessment Risk Indexing System, POLARIS)改进不同冰级船舶的海冰风险指数计算方法，建立北极航线的航段安全评估模型，以呈现北极海冰对不同冰级船舶和不同航段的危险程度。结果表明：该流程能够融合多源冰情数据，反映不同冰级船舶在某一位置点的海冰风险数值，全面显示北极航线上各航段的海冰风险程度。研究成果可为北极航行的船舶操作与航线优化提供参考。     

“永盛”轮北极东北航道商业航行实践

继2013年8月首航北极东北航道后,中远航运旗下"永盛"轮于2015年夏天再次出征北极东北航道,并首次实现往返航行。北极东北航道的探索性商业航行,不仅为极区航行船舶操纵和管理积累了宝贵的经验,还为极区船舶的设计和建造提供了参考,为最终实现中国商船北极航行常态化创造条件。青岛远洋船员职业学院张晓教授作为航海领域专家参加了本次往返航行的西行航次,本刊编辑部特邀请张晓老师撰文介绍"永盛"轮此次北极航行的准备和实施情况,并对北极东北航道航海资料的可信度、极区气象冰情预报的准确性、极区通导设备的误差及可用性、极区船舶遇险搜救能力等关键问题进行分析,供航运界参考。     

基于反向方法的船体冰载荷研究

船舶碰撞海冰引起的冰载荷分布是十分复杂的。文章选取Thikhonov正则化这一反向方法,根据极地科考补给船S.A Agulhas II号于2013-2014年间南极航行时实测的数据,分析得到了船体艉肩部的冰载荷。通过应用三种独立的冰载荷离散方式来模拟海冰的自然特性,在有限元中得到模型的影响矩阵,并应用Matlab对Thikhonov正则化方程进行了优化。研究结果表明,反向方法可以克服数据处理过程中的不适定性,并计算得到船体冰载荷。     

基于船基海冰参数现场测量的极区船舶结构冰激疲劳损伤分析

论文建立了一种极区船舶结构冰激疲劳评估方法。基于极地科学考察船在北极现场的测量数据，分析得到海冰的统计特性；由冰厚和航速的联合概率分布，得到极区环境航行的典型工况。采用离散元方法建立船-冰作用模型，获取不同工况下船首局部区域的冰载荷分布。将局部冰载荷施加在船首有限元模型的对应区域，采用插值方法计算热点区域应力幅值和循环次数。根据累积疲劳损伤理论，将各工况的疲劳损伤叠加，得到总损伤。为验证该方法的准确性，将船舶结构冰激疲劳寿命计算结果与英国劳氏船级社规范进行了对比分析。结果表明，该方法可很好地应用于极区船舶结构冰激疲劳设计。     

基于反向方法的船体冰载荷研究（英文）

船舶碰撞海冰引起的冰载荷分布是十分复杂的。文章选取Thikhonov正则化这一反向方法,根据极地科考补给船S.A Agulhas II号于2013-2014年间南极航行时实测的数据,分析得到了船体艉肩部的冰载荷。通过应用三种独立的冰载荷离散方式来模拟海冰的自然特性,在有限元中得到模型的影响矩阵,并应用Matlab对Thikhonov正则化方程进行了优化。研究结果表明,反向方法可以克服数据处理过程中的不适定性,并计算得到船体冰载荷。     

艉部先行模式下船舶冰阻力试验预报方法研究

在双向航行极地船舶的基本设计与线型优化阶段，需要对艉部先行模式下的冰阻力进行可靠的试验预报。吊舱与螺旋桨对艉部船-冰作用存在影响，但现有试验规程尚未合理考虑在该影响下船舶冰阻力的变化。以中国双向航行极地科考船“雪龙2”号为原型开展冰水池模型试验，对艉部先行模式下连续破除平整冰的过程进行了模拟。通过水上-水下联合摄录设备观测了船尾前冰层的破坏现象，并描述了螺旋桨对艉部船-冰作用的影响；结合艉部先行试验数据，提出了艉部先行模式下确定冰阻力的推荐方法，为艉部先行模式下的船舶冰阻力试验预报提供指导。     

极地航行船舶概念设计多目标优化方法研究

随着北冰洋海冰的融化,北极航线因其带来的巨大商业利益而变得越来越重要。因此,高效环保的绿色极地航行船舶研发显得尤为迫切。本文围绕极地航行船舶的冰/水动力特性,提出了以破冰航行效率作为衡量破冰能力的技术指标,进行了破冰航行效率的理论推导,建立了以破冰航行效率、EEDI和相对回转直径为目标函数的综合性能多目标优化模型,并以一艘油船为例开展了优化研究,为进一步确定极地船舶的主尺度和船型优化提供了方法。     

极区航海导航与定位保障技术发展综述

航海导航系统是各类军民海洋运载器实现极区顺利到达以及极区安全航行的先决条件。然而,南北极区特殊环境造成航海导航系统性能下降甚至无法应用。为从根源上认知航海导航系统极区的应用问题,在系统阐述海洋运载器导航系统极区应用发展史的基础上,从地球运动学、地球物理场、海洋环境和地理环境4个方面,全面分析极区特殊环境对海洋运载器主要导航系统的影响,并通过极区航海导航系统的研究现状及未来趋势的展望,为极区航海导航技术及未来发展提供有益参考。     

极地船轴系的强度设计分析

极地船舶的开发是我国极地战略目标的重要支撑部分，而船舶的动力心脏——推进系统的强度设计因极地冰区的多工况航行变得更为复杂。为保证船舶在极地航行的可靠性和安全性，该文介绍了DNV船级社关于极地船轴系强度的基本设计理念和相应的规范要求。关于冰载激励对推进系统设备的影响，DNV基于其经验推荐了1种考虑柴油机气缸激励和冰载激励相位角的数字解决方案。文中应用DNV开发的Nauticus Machinery软件对某PC4级别的冰区船舶轴系分别进行了时域和频域扭振计算，然后采用Palmgren-Miner线性累积疲劳方法进行了该轴系尺寸的合规性分析，并对时域分析结果和频域分析结果进行了比较。针对极区船推进轴系的强度设计，文章提出了1种迭代方案来进行轴系的尺寸设计及优化。