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。     

极地半潜式海洋平台在不同环境载荷下的动态响应分析

北极地区拥有丰富的油气资源,在该海域进行油气资源的开发和利用具有巨大的发展前景,但也极具挑战性。当前海洋平台的设计规范并未充分考虑海冰的影响。北极海域存在无冰期和有冰期,为了实现平台全年在海上进行作业,需要联合考虑波浪载荷和冰载荷的作用。本文研究某半潜式海洋平台在波浪、平整冰以及碎冰不同工况下的动态响应,采用势流理论和莫里森方程计算波浪载荷,利用离散元方法求解冰载荷,使用细长体有限元的方法分析锚泊系统,通过非线性时域计算求解得出平台的运动以及锚泊系统受力。结果显示：相较于其他环境载荷,平整冰作用下锚链的张力最大;在较小的海冰厚度、海冰密集度和冰块平均面积下的碎冰区,平台的运动符合现行安全规范。本文的研究可为北极地区油气资源的安全开发提供参考价值。     

冰区船舶碎冰载荷模拟及影响参数分析

本文采用二维离散元法模拟碎冰与船舶的相互作用.运用海冰粘弹性的Kelvin模型,结合船舶与碎冰的耦合运动,通过Newmark法求解三自由度船舶运动方程,计算船舶航行于碎冰区的碎冰载荷.与相关文献进行对比,验证本文数值模型的可行性.研究海冰不同的弹簧系数、粘性阻尼系数与摩擦系数对碎冰载荷的影响.结果表明:二维离散元数值模...     

基于实船观测的北极东北航线窗口期海冰冰情研究

随着全球气候变暖,北极海冰覆盖范围的日趋减小使得北极航道的夏季通航性不断提高.与通过苏伊士运河的传统航线相比,北极东北航道可以节省欧洲和亚洲之间近三分之一的航行距离.然而,北极海冰不可避免地为北极航运带来极大的挑战.为此,在2018年夏季窗口期期间在中远"天佑号"东北航道航行过程中对航线冰情开展了走航观测.通过船载摄像机对航道中的海冰视频图像进行采集,并通过图像处理软件对海冰密集度进行提取.数据显示,窗口航道中海冰类型主要为低密集度的碎冰且部分碎冰内部夹杂着冰脊,其中平均密集度为17.8％,而最高值可达80％.此外,将视频数据与遥感数据进行对比分析,结果表明卫星遥感数据在低密集度(0-0.2)时存在一定的低估,而在较高密集度下则偏向高估.     

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。     

冰区加强型散货船碎冰航道航行阻力数值计算研究

应用CFD-DEM方法对某型冰区加强型巴拿马散货船在碎冰航道航行的船舶阻力进行了计算研究。船-水相互作用建立在欧拉框架下,船-冰相互作用应用拉格朗日框架下的DEM方法实现。参照汉堡水池试验影像和试验参数建立DEM冰粒子和碎冰航道的计算模型。结果表明,CFD-DEM耦合计算方法充分考虑了船-水相互作用和流体与粒子间的相互影响,能较好地模拟了船-冰相互作用和发生的现象。船-冰接触力和总阻力随着船舶进入碎冰航道呈现逐渐增大,然后逐渐趋于平稳。数值计算的船舶总阻力值与试验结果对比,平均误差为5.03%,这项研究可为船舶在碎冰航道航行的数值预报提供参考。     

船冰相互作用研究方法综述

船舶在冰区航行以及海洋结构物在冰区的运营中,结构物与海冰的相互作用是一个关键问题。由于海冰的材料特性复杂,目前对于相关问题的了解有限,开发有效的本构模型以及对数值方法应用的改进是船冰作用研究的关键。文章对近年来船冰作用问题的研究方法进行了总结。船冰作用的主要研究方法包括试验法、有限元法、离散元法和概率法。通过试验能够获得最直接的数据,同时也是建立海冰本构模型的基础,但试验成本高昂;有限元法理论基础扎实,商业软件较多,方便实现,但在模拟冰的脆性破碎和碎冰大尺度移动方面能力有限;离散元法能够更好地模拟冰的破碎与离散的特点,但目前该方法的开发应用不够完善;由于冰的某些特性如内部缺陷大小和方向具有随机性,因此概率法也被认为适于研究冰的部分问题。     

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％.     

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。     

北冰洋海冰变化与船舶通航的展望

北极海冰是制约船舶在北极圈安全航行的主要因素,通过对海冰的影响范围、分布特征、海冰的漂移、海冰的周期变化等的分析可以得出北冰洋海冰的变化特征,从而可为以后实施北极航道的规划和建设、船舶航线的设计提供参考.     

波浪冲洗对多浮冰耦合运动影响特性研究

冰缘区是开阔水域与海冰的交界区域,波浪与海冰的相互作用是决定该区域形态结构的主要因素.本文基于计算流体力学技术,采用速度入口造波方式建立二维数值波浪水池,利用动网格技术模拟多浮冰的耦合运动,在典型入射波参数范围内,研究了波浪中浮冰的垂荡和纵摇响应.同时,重点探究了波浪冲洗冰体表面现象,及其对浮冰耦合运动的影响,对比分析了有/无波浪冲洗冰体表面时的浮冰运动响应.数值结果表明:低密集度浮冰更容易产生波浪冲洗现象,且波浪冲洗对浮冰运动具有较明显的抑制作用.     

基于ABAQUS的海冰单元开发及冰载荷直接计算法

[目的]随着全球气温的不断升高,北极冰层逐渐融化,开发利用北极航线和北极资源受到国际社会的广泛关注,各国掀起了新一轮的极地船舶建造高潮,而在极地船舶的设计过程中,如何确定船舶冰载荷显得尤为重要。近年来,采用数值方法计算极地结构受到的冰载荷逐渐成为国内外学者关注的重点,而目前的通用商业有限元软件中缺少特定用于模拟海冰力学特性的相关海冰单元,为相关数值研究工作的开展增加了困难。针对这一问题,[方方法]结合Reinicke和Remer提出的各向同性海冰失效准则,在ABAQUS二次开发平台UEL上开发用于模拟海冰失效的新型单元。在所开发的单元中引入弹性基础用以模拟浮力和重力的作用。采用典型的斜坡和圆锥结构算例并结合相关规范公式对所开发的新型单元进行验证。[结果]对比二者之间的计算结果发现,直接计算法与规范公式的计算结果吻合较好。[结论]所提出的直接计算法能够为冰区结构设计提供工具和一定的参考。     

船-冰碰撞中考虑温度影响的冰体材料本构模型研究

近年来随着全球气候变暖加剧，海冰消融速度加快，北极航道的全面开通成为可能。北极地区环境恶劣，即使在夏季浮冰和冰山也广泛存在，对极地船舶结构安全性产生了严重的威胁，船-冰碰撞问题也越来越受到国内外学者的关注。但是，由于海冰材料复杂的物理和力学特性，目前对海冰以及冰载荷的研究仍然面临诸多困难，其中对其本构关系的合理准确描述一直是影响相关问题计算分析的关键因素。本文结合国内外海冰实验数据，考虑温度的影响，建立了基于多曲面屈服准则的海冰材料本构模型，通过二次开发编写材料本构子程序并嵌入有限元软件LS-DYNA材料模型中。以此为基础，建立典型工况船-冰碰撞场景，分析了船体结构与冰体结构的损伤变形特点。本文研究成果可为极地船舶的结构设计制造与安全性评估提供参考。     

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...     

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。     

极地双向破冰船艉部线型适应性分析北大核心CSCD

[目的]为保证极地双向破冰船的破冰航行能力,需重点开展该类船舶的艉部线型设计。[方法]通过调研大量现役极地船舶和梳理现行规范,研究吊舱推进单元的冰载荷作用模式以及冰在船舶作用下的破坏过程,进而开展吊舱推进式极地船舶艉部线型的关键设计特征参数分析与适应性分析。[结果]研究结果表明,艉封板倾角将直接影响破冰时船体作用于海冰的水平分力和垂直分力,可适当增加该倾角以有效引导海冰的弯曲断裂;W型艉封板横剖线型可以调和流场优化与碎冰外排效率之间的矛盾;吊舱安装底座可以发挥一定的破冰作用,但将影响吊舱流场;艉鳍对船尾流场和碎冰外排也存在较大影响。[结论]研究成果可为吊舱推进式极地船舶艉部线型的适应性优化设计提供参考。     

水动力对海冰-结构物相互作用影响的研究

海冰与极地船舶碰撞是影响船舶航行和作业安全的重要因素。由于碰撞发生在水面附近,水动力作用不可忽视,需考虑结构物-冰-水的耦合作用。论文进行了海冰与固定圆柱体之间水动力相互作用的试验,并改变海冰的速度、尺寸和形状这3个参数用CFD-FEM方法进行数值模拟,分析冰所受水动力与碰撞力峰值的差以及碰撞过程中冰附加质量的变化。研究结果表明：数值计算结果与试验数据吻合较好;在海冰-结构物碰撞过程中,水动力对冲击力辐值的影响随海冰速度的增大而增大,随海冰尺寸和截面多边形边数的增加而减小;在冲击力峰值附近区域,海冰附加质量呈先增大后减小的态势。     

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。     

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。     

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。