船体结构冰载荷的远场识别方法及试验验证

冰区航行船舶的冰载荷监测系统可实时保障结构安全.常规的冰载荷监测系统通常采用在冰区水线处布置应变传感器进行测量,然而船体结构水线处往往因水密隔舱等密闭结构而难以进入.为克服传感器安装位置的限制,本文提出一种船体外板结构远场冰载荷识别模型.采用狄拉克函数形成监测点载荷-测量点冰激应变间的Green矩阵,并用Picard准则对载荷识别系统的不适定性进行分析.同时,采用共轭梯度最小二乘迭代型算法和移动平均滤波技术提升求解精度及降低噪声信号影响,并将反演模型应用到外板结构的载荷识别试验中,反演的载荷可较好地对应上施加载荷的时域特征且载荷识别精度良好.本文提出的冰载荷识别模型是对原有冰载荷监测方案的扩展,可有效提升监测范围.     

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。     

连续破冰模式下极地破冰船艏部冰载荷计算方法研究

极地破冰船在破冰过程中的冰载荷预报是破冰船设计过程中亟待解决的问题。论文根据能量守恒原理提出了连续破冰模式下冰载荷的分析方法;运用非线性有限元软件模拟破冰船的连续破冰过程,获得不同冰厚和不同船速下的船艏碰撞力时历曲线。通过理论计算及数值仿真结果的对比分析,证实作者提出的连续式冰载荷理论计算公式和数值仿真方法的可行性。计算方法及计算结果对于破冰船结构设计具有重要的参考价值。     

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-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。     

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.     

基于MD Nastran的船-冰碰撞数值仿真研究

船舶与海冰的碰撞过程十分复杂,涉及多种非线性问题。文章运用 MD Nastran对船舶艏部与冰的碰撞进行数值仿真计算,来模拟这一过程。得到了碰撞结束后,船首和海冰的损伤变形情况,船体结构的应力应变情况,以及在船—冰相互作用过程中的能量变化,应力应变变化。研究结果描述了船舶与冰碰撞的详细过程,揭示了冰载荷作用下船体结构的响应规律,可为船舶抗冰载荷设计提供参考。     

基于MD Nastran的船—冰碰撞数值仿真研究（英文）

船舶与海冰的碰撞过程十分复杂,涉及多种非线性问题。文章运用MD Nastran对船舶艏部与冰的碰撞进行数值仿真计算,来模拟这一过程。得到了碰撞结束后,船首和海冰的损伤变形情况,船体结构的应力应变情况,以及在船—冰相互作用过程中的能量变化,应力应变变化。研究结果描述了船舶与冰碰撞的详细过程,揭示了冰载荷作用下船体结构的响应规律,可为船舶抗冰载荷设计提供参考。     

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.     

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.     

船体梁载荷反演方法与试验研究

针对实际航行过程中船体梁载荷难以直接测量的问题,提出一种弯扭分解载荷反演算法,以弯扭耦合载荷作用下的结构响应为输入,分离并输出结构所承受的弯矩和扭矩,并通过船体梁弯扭分解试验对该算法的可行性进行验证。船体梁载荷反演结果表明,提出的弯扭分解算法能将船舶航行过程中耦合在一起的载荷进行有效的分解测量,具有工程可行性。     

破冰船冲撞式破冰模拟及结构损伤分析

提出一种适用于船冰碰撞的海冰材料模型。基于该材料模型,通过非线性有限元模拟冰台撞击刚性墙,验证该模型的正确性,并成功将其运用于某PC3冰级破冰船冲撞式破冰过程数值模拟中。研究破冰船冲撞不同厚度层冰的动响应结果,总结船冰相互作用过程中碰撞力和能量的变化、船体结构损伤特性和破冰能力,研究成果可为破冰船结构设计提供参考。     

极地重型破冰船结构设计特点浅析

极地重型破冰船是极地航路开辟、救援支援、科学考察及资源开发的重点保障装备。与中低冰级极地船型/破冰船相比，由于其高冰载荷作用环境特点，该船型在高强度钢/特种材料应用、冰载荷作用下结构安全评估以及船体结构布置设计等方面有其鲜明特征，需予以重点考虑，不可武断地沿用以往针对中低冰级极地船型的结构设计经验。该文以某型PC2级极地重型破冰船型为例，总结其结构设计/评估经验，重点就冰区构件高强度结构钢应用、冰区外板复合钢板应用需求与特点、非线性评估技术应用对冰区构件尺度影响、冰致剪力/弯矩分布特点及其对主船体内部平台、桥楼侧壁等非冰带区构件设计影响展开讨论，阐明此类船型结构设计特点及其与中低冰级极地船型/破冰船在整体结构布置思路、冰区结构设计评估方面的主要区别。文中认为：随着冰级的升高，冰载荷的影响已不仅仅局限于冰区外板及其附连构件区域，在冰区构件材料选型及整船全局性结构布置、设计等方面也会产生重大影响。     

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...     

传统双层舷侧结构的碰撞数值仿真研究

船舶碰撞是船体结构在很短的时间内承受巨大碰撞载荷作用的一种复杂非线性动态响应过程。应用非线性有限元数值仿真方法研究了传统双层舷侧结构在正碰状况下的碰撞性能,分析碰撞过程中舷侧结构的损伤特点和吸能特性,为研究提高舷侧结构抗撞性提供参考。     

船体冰载荷的反演确定法（英文）

由于船体结构受到的外部载荷及载荷承受能力决定了船体结构的损伤程度，因此船舶在冰区海域航行的安全性与其受到的冰载荷直接相关。本文根据极地科考补给船S.A. Agulhas II的原型测量数据，给出了两种艉肩部冰载荷的反演确定方法：一种为根据试验建立的影响系数矩阵法来确定肋骨处受到的冰载荷，另一种为利用Tikhonov正则化建立的三种离散方式来确定外板区域受到的冰载荷。计算结果表明，这两种方法均能克服数据处理过程中的病态性并得到船体结构的冰载荷。     

考虑流场影响下破冰船艏部结构响应研究

通常考虑船-冰碰撞附连水的水动力效应有附加质量法和流固耦合法。本文建立了破冰船破冰场景,基于流固耦合法进行了数值仿真计算,分析了水域流场对船体的冲击压力变化、流场的速度分布变化以及流场的动能变化。同时与附加质量法的计算结果进行了比较,对比分析了船艏的碰撞力大小、损伤变形以及局部冰载荷等差异,揭示了流场对船-冰碰撞的影响规律,对于破冰船结构设计具有重要的参考价值。     

船舶结构冰载荷的监测识别方法及时空特性分析

冰载荷是主导极地船舶结构抗冰设计的环境载荷，对冰激应变的实船测量是获取冰载荷的重要途径。在我国北极科考期间，对“雪龙2”号极地考察船开展了冰载荷现场监测。论文基于对正应变测点布放位置敏感性的分析，合理制定光纤光栅传感器的安装方案，采用影响系数矩阵法对冰载荷进行识别。在此基础上，针对平整冰区冲撞式破冰工况下冰载荷的整体和局部时空分布特性开展研究。结果表明：肋骨腹板上靠近且垂直于外板的挤压正应变比平行于外板的弯曲正应变更适合于作为冰激应变的观测量；海冰沿船体表面擦碰及受船体下压作用而发生弯曲破坏，冰载荷在船体首肩部呈现自水线下潜至船底的整体空间移动特性；高压力区形状和面积变化不明显、组成部分缺失以及主次压力区转换等瞬时演变形式分别是海冰纯挤压、剥落和非同时挤压等局部破坏模式的外在表现。结果可为船舶结构冰载荷的监测识别技术与时空分布特性研究提供参考。     

考虑流场影响的破冰船艏部结构响应

建立破冰船破冰场景,基于流固耦合法进行数值仿真计算,分析水域流场对船体的冲击压力变化、流场的速度分布变化和流场的动能变化。将采用流固耦合法得到的计算结果与采用附加质量法得到的计算结果相对比,分析二者在船首的碰撞力大小、损伤变形和局部冰载荷等方面的差异,揭示流场对船-冰碰撞的影响规律。该研究对破冰船结构设计具有一定的参考价值。     

Abaqus/Explicit在船舶碰撞载荷作用下结构优化中的应用

船舶碰撞事故会导致严重的经济损失,有必要在造船环节针对船体碰撞过程的载荷进行模拟,提高船舶局部结构的强度,防止船体的机械结构产生碰撞失效。Abaqus/Explicit平台是一种针对静力学、动力学载荷分析与仿真的一个有限元平台,本文基于Abaqus/Explicit仿真平台,通过建模、定义边界条件、运算与求解等过程,进行了船舶碰撞载荷作用下的结构仿真和优化,对于改善船体的结构设计有一定的指导作用。