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。     

基于显式动力学理论的冰桨碰撞数值分析

船舶在冰区环境中航行时,螺旋桨不可避免地会与冰块发生碰撞作用。针对冰区环境冰桨碰撞问题,以显式动力学理论为基础,某多功能船舶的螺旋桨为研究对象,建立了冰桨碰撞模型。使用Ansys有限元计算方法分析了不同速度、不同碰撞位置、不同尺寸大小的冰块对螺旋桨碰撞的动态影响。结果表明,冰块速度、碰撞位置、冰块尺寸对螺旋桨的损坏有着明显影响,定性得出冰桨之间的碰撞规律。     

航行于碎冰区船舶冰阻力与冰响应探析

[目的]为了分析冰区航行船舶与碎冰之间的相互作用,[方法]运用离散元模型结合欧拉多相流,对船舶在碎冰区域航行时船体与碎冰之间的相互作用关系进行探索。计算不同航速、不同碎冰密集度下船体的受力情况,并对冰船接触冰时的运动响应进行分析,从直观上解释碎冰阻力的变化原因,以及桨前来冰的运动情况。[结果]得出船体所受冰阻力主要是由碎冰与船体表面的摩擦和碰撞产生,并随航速的增大而增大,但当航速增大到一定值后,碎冰阻力不再增加,甚至还有减小的趋势。[结论]研究的工作可为冰区船型优化及其螺旋桨设计提供理论支撑。     

非冻结模型冰-螺旋桨切削状态的试验研究

冰-螺旋桨的切削过程十分复杂，如何精确掌握冰桨作用模式和揭示冰桨作用机理对冰区螺旋桨理论研究和设计极其重要。本文介绍了利用冰桨切削试验平台开展的不同冰材料、螺旋桨尺度、切削深度、冰推送速度及螺旋桨转速时的冰桨切削试验研究，以及对螺旋桨冰载荷、遮蔽效应和冰桨作用模式进行的测量和分析。试验结果表明：通过高速摄像机对冰桨切削过程的捕捉证明了桨叶遮蔽效应的存在；相同切削深度时，螺旋桨尺度越大，桨叶受到的遮蔽效应越严重；冰桨切削深度越深，桨叶受到的遮蔽效应越严重，且螺旋桨中受到遮蔽效应的桨叶也越多；随着冰块推送速度的增加，模型冰的破坏模式由剪切断裂破坏逐渐向局部挤压破坏和剪切断裂破坏转变；极地船舶破冰航行过程中，可适当地提高螺旋桨转速，以减小螺旋桨受到的冰载荷，提高破冰能力。     

螺旋桨-冰接触工况下载荷试验研究

船舶在冰区航行时,经常会发生碎冰在艏部下沉,并沿着船体滑入螺旋桨前的流场中,导致高速旋转的螺旋桨与冰发生切削作用,使得螺旋桨桨叶发生严重变形和损坏。为了进一步分析和研究螺旋桨-冰切削过程中的各种载荷,文中首先在拖曳水池中搭建了螺旋桨-冰切削试验平台,详细叙述了测量设备和模型冰推送装置。然后,通过重复性分析以及与其他学者的研究进行对比分析,验证了试验平台的可行性和可靠性。最后,对螺旋桨-冰在空气中以及在水中切削时受到的载荷情况进行了详细的分析。试验结果表明:螺旋桨-冰切削试验平台的搭建具有可行性,能够较好地测量螺旋桨-冰的切削载荷;模型冰移动的速度越快,螺旋桨受到的挤压载荷越大;螺旋桨-冰切削过程中接触载荷的详细描述对冰级螺旋桨的结构设计具有重要的工程意义和应用价值。     

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SPH法的冰与船舶螺旋桨碰撞数值模拟

在结冰海域航行的船舶螺旋桨会因受到冰块的撞击而出现严重的损坏。该文建立了冰—桨碰撞计算模型,冰模型采用SPH(光滑粒子流体动力学)法,运用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA数值模拟了螺旋桨与冰在不同速度、位置下碰撞和螺旋桨与不同半径冰碰撞下的动态响应。对比研究了在以上单一碰撞因素下桨的变形、单元最大应力以及碰撞过程中产生的碰撞力等响应差异,定性地得出上述因素对冰—桨碰撞的影响规律,为船舶螺旋桨抗冰性能的结构设计提供参考。     

不同敏感性参数下船舶-碎冰碰撞的船体结构响应

基于我国第七次北极科学考察获得的夏季北极海冰空间分布情况,模拟真实碎冰分布,采用LS-DYNA软件中的流固耦合方法,研究在船舶航速、碎冰尺度、碎冰厚度及碎冰密集度等因素影响下船舶-碎冰碰撞的船体结构响应。结合试验数据得到船体结构的应力、吸能和碰撞力。结果表明：船舶-碎冰的主要碰撞区域为艏部及舷侧的水线附近;在船舶航行于碎冰域时,船体结构的应力、吸能和碰撞力的峰值随碎冰域的船舶航速、碎冰尺度、碎冰厚度及碎冰密集度的增加而增加,但分布情况不同。研究结果为船舶在极地冰区航行提供一定的安全性参考。     

冰-水耦合作用下船舶与浮冰碰撞动响应数值仿真研究

船舶在碎冰区航行时会受到浮冰的碰撞,为了准确模拟浮冰碰撞载荷作用下的船体局部结构承载特征,应当考虑碰撞过程冰-水耦合作用的影响。本文采用瞬态动力学分析程序MSC.Dytran对某水面舰船在碎冰区航行时受浮冰碰撞的动态过程进行数值仿真,得到了受浮冰碰撞下的船体结构响应、碰撞载荷及碰撞过程中的能量转化特征,对浮冰尺度、碰撞位置、舰船航速对船体结构响应及碰撞载荷的影响进行了分析并给出了相应的结论。本文研究工作对于碎冰区航行舰船的载荷确定及结构设计具有重要的参考价值。     

空泡下双向冰级桨水动力性能试验研究

针对空泡效应对双向冰级螺旋桨的正车性能和倒车性能的影响,本文采用螺旋桨模型空泡水筒试验方法,探讨均流环境中空泡数和进速系数对螺旋桨正车和倒车水动力影响,以及在冰阻塞环境中空泡数、进速系数和冰-桨距离对螺旋桨正车和倒车水动力性能影响。研究结果表明：均匀流环境中定水速变转速,严重的空化现象对推力和扭矩的削减大于由螺旋桨转速增加而增加的推力和扭矩;冰阻塞环境中定转速变水速,螺旋桨推力和扭矩受到冰阻塞和空泡共同作用,当空化严重时,推力和扭矩不再随阻塞距离的减小而增加;本双向螺旋桨的倒车性能要比正车性能差,进速系数越大,性能差越大,均匀流中进速系数为0.7时,推力系数的差值在80%左右;冰阻塞中随着冰-桨距离的增加,水动力差值随之增加,但增加幅值较小;空泡不断地在桨叶生成,并在与桨叶分离时快速溃灭,随着冰-桨距离的减小,近冰桨叶表面空化现象越严重,空泡发生面积越大,且空泡形状越不规则。     

冰载荷作用下船舶电力推进装置控制策略研究

船舶在极地海域航行时,将面对恶劣的冰载荷工况,冰-桨的相互作用致使船舶推进系统产生转速降,系统同时产生较大的扭矩波动,动力推进系统的安全受到威胁。论文以某重型破冰船电力推进系统为研究对象,建立电力推进系统转速-时间仿真模型和扭振时域动态响应计算数学模型,重点研究了冰载荷激励力矩作用时电力推进系统在不同调速控制策略下的电机转速降及轴系扭矩动态响应,通过全转速分析得到不同调速控制策略下电机转速降和轴段最恶劣冰载荷扭矩幅值随初始转速的分布规律,并对推进系统在各冰载荷工况及各冰厚条件下的螺旋桨破冰性能作出了预测,结果可为冰区电力推进装置的设计及性能分析提供参考。     

冰区航行船舶推进器特殊性分析

[目的]推进器是船舶航行过程中推力的来源,其设计是船舶设计过程中的关键部分。由于工作环境不同,冰区航行船舶推进器与敞水船舶推进器相比在载荷分析和设计上差别较大。为给冰区航行船舶推进器的设计提供依据,[方法]针对冰级桨的水动力特性、冰载荷以及空泡等性能的特殊性予以分析。[结果]结果显示,在冰区航行时,海冰的存在会导致船舶推进器遭受更大量级的载荷,并且在低进速时易引发推进器的空化现象,产生强烈的噪声。[结论]研究表明,设计冰级桨时要特别注意冰载荷的量级和空化效应,并考虑采用铜合金或奥氏体钢等耐低温材料建造推进器。     

船舶数字碎冰场构建与冰阻力计算方法研究

为验证数值方法计算精度,预报极地碎冰区船舶所受冰阻力,本文依据冰池试验中生成的碎冰航道以粒子喷射的方式构建相应的数字碎冰场,采用球形粒子填充的方式创建碎冰的离散元模型并与CFD方法相结合计算船舶在碎冰域所受冰阻力.依据HSVA冰池对某冰区油船开展的基于模型冰厚分别为37.1 mm、39.8 mm、46.3 mm及49.4 mm四种条件下的冰池试验,数值模拟了在同等试验条件下船舶所受冰的阻力.对比冰池试验,数值模拟过程中碎冰的运动状态、船冰间相互作用模式与冰池试验现象完全吻合,船体所受冰阻力计算误差在合理范围内,最大误差为29.45％.     

冰块阻塞状态的螺旋桨空泡激振力特性分析

针对极地船舶在冰区航行时的冰水混合环境对螺旋桨性能影响,本文采用RANS方法对不同冰块阻塞和压力状态的螺旋桨非定常空泡和水动力性能进行数值模拟,分析了冰块阻塞状态对螺旋桨空泡激振力的影响规律。结果表明,冰块阻塞状态的螺旋桨水动力性能由冰桨逼近的流场阻塞和桨叶空泡效应共同决定,冰阻塞物下游产生的低速低压回流区可改变螺旋桨附近流场结构和压力场分布,加剧桨叶空泡形态的不规则和螺旋桨空泡激振力的时域非定常性。从频域上看,冰桨阻塞作用造成螺旋桨空泡激振力的高阶量显著上升,空泡激振频率向高阶次移动。     

极地碎冰航道内的近水面潜艇冰载荷特性研究

极地海冰可以为潜艇提供良好庇护,为执行紧急作战任务或处理突发险情,潜艇需要突破层冰覆盖紧急上浮。当层冰厚度较大时,潜艇可借由破冰船开辟的碎冰航道实现上浮作业,但航道内漂流的碎冰可能对上浮后的潜艇构成威胁。论文参考HSVA冰槽试验以及北极海冰统计特征建立了碎冰数值模型,基于CFD-DEM耦合方法,采用STAR-CCM+软件,对碎冰航道内上浮潜艇所承受的冰载荷特性进行了研究,数值模拟结果表明：（1）潜艇在碎冰航道中所承受的冰载荷主要包括碎冰对水面处艇身前端区域的碰撞和侧面区域的摩擦,而碰撞的间断性和摩擦的连续性使得潜艇所受碎冰载荷的变化是一个重复“加载-卸载”的过程;（2）在碎冰航道中水流作用下产生的潜艇兴波使得碰撞区域前的碎冰逐渐远离潜艇,从而使得在模拟后期这部分碎冰产生的碰撞载荷渐渐减小直至消失;（3）出水面高度对潜艇所承受的冰载荷影响较大,在出水面高度λ=0～3H/2范围内（H为潜艇围壳高度）,潜艇所受冰载荷与潜艇的出水面高度成正比,且载荷数据的离散度随高度增加而变大;（4）λ=H工况下的潜艇由于其背部上方碎冰群的变化,其所受冰载荷峰值的震荡幅度在模拟的前后期差异较大,且在模拟初期冰...     

冰载荷下船舶螺旋桨强度的有限元分析

论文研究了冰载荷下船舶螺旋桨的强度问题。基于冰载荷经验公式和五种典型计算工况,利用有限元法进行了冰载荷下螺旋桨的强度分析。建立了一种冰/桨叶碰撞计算模型,对碰撞过程中接触力的变化及螺旋桨的动态响应进行了研究。计算结果可供螺旋桨结构设计时参考。     

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.     

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。     

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。     

冰阻塞环境对螺旋桨水动力和空泡影响试验研究

为了探究阻塞环境对冰区桨水动力和空泡特性的影响,辅助冰区螺旋桨的优化设计,本文在大型循环水槽中搭建冰阻塞环境下螺旋桨水动力性能和空泡特性的测试平台,测量和观察常压和减压状态下不同冰桨阻塞参数时螺旋桨及单桨叶的水动力载荷和空泡形态。试验结果表明：冰阻塞条件下的螺旋桨水动力性能是由冰桨阻塞参数、空泡环境和螺旋桨运行工况综合作用的结果,在冰块阻塞效应和邻近效应、螺旋桨抽吸作用、冰块周围回流区以及“皮鲁埃特效应”综合影响作用下冰块和螺旋桨之间会诱发连体涡空泡并导致螺旋桨水动力性能剧烈波动。