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。     

冰载荷作用下舷侧骨架典型节点有限元分析

[目的]为了探索横骨架式破冰船在冰载荷作用下舷侧骨架典型节点的受力情况,需要针对舷侧典型节点进行数值分析。[方法]首先,基于一艘PC2级重型破冰船,根据中国船级社(CCS)规范,对该型破冰船的冰载荷进行规范计算,得到本次计算的冰载荷;然后,采用有限元分析软件MSC/PATRAN创建舷侧骨架典型节点的有限元模型,在破冰船外板上施加具有代表性的冰载荷,计算舷侧骨架典型节点的应力状态;最后,通过不断变更典型节点形式,得到关注区域的应力分布差异。[结果]不同典型节点形式应力大小的对比分析显示,在舷侧纵桁区域选择肋骨穿越,在甲板区域选择肋骨断开的结构形式更优。[结论]总结并提出的破冰船舷侧骨架典型节点结构形式的设计要点可为肋骨穿越形式的结构设计提供一定的参考。     

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。     

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.     

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。     

极地物探船冰载荷有限元计算方法

采用LS-DYNA有限元软件建立极地物探船的船-水域-海冰有限元模型，计算得到该型船在设计破冰厚度和设计航速下的冰载荷量和冰载荷时程曲线，并进一步研究冰体单元尺寸对冰载荷计算结果的影响。研究表明，冰载荷最大值随冰体有限元单元尺寸减小而减小。对比相关冰载荷经验公式计算结果，最终确定合理的冰体单元尺寸。研究结果对极地物探船的结构设计和结构安全性评估具有重要意义。     

极地船舶吊舱推进器的功率匹配研究

[目的]为了提高吊舱推进极地船舶设计的针对性和适用性,需开展功率匹配研究。[方法]根据国外各类冰级划分规则和实船调研结果,明确不同冰级船舶在北极的四季可航范围。基于Lindqvist公式计算3艘极区典型吊舱推进船舶的冰阻力,从而估算吊舱推进船舶的需要功率。通过调研市场上较成熟的吊舱推进器产品,建立一种极地船舶吊舱推进器的初步选型方法。[结果]结合目前主流吊舱推进器的单机功率和布置型式,得出了各类船型在不同冰级下的功率匹配结果和初步选型建议。[结论]研究成果可为设计阶段的吊舱推进器选型工作提供参考。     

中国新型极地考察船冰载荷预估研究

本文针对中国新型极地考察船所受冰载荷进行了研究,其中包含了平整冰阻力和浮冰碰撞力.对于船舶设计者和建造者来说,船舶冰载荷的预估非常重要.本文采用经验公式方法计算了该船在平整冰中航行的冰阻力,并且与模型试验结果进行了对比.结果显示,计算和试验结果中的冰阻力都随船舶航行速度的增大而增大,经验公式方法可以预测出合理的平整冰阻力.通过计算得到了该船的性能曲线,即该船在不同厚度平整冰中航行所能达到的速度.此外,本文还考虑了该船与圆形浮冰之间的三维斜向碰撞问题,采用解析方法评估了浮冰对船舶的撞击力,研究了撞击位置、法向框架角度以及浮冰尺寸对碰撞力的影响.基于计算结果,本文就冰载荷的预测进行了讨论并提出了一些建议.     

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。     

冰载荷空间分布对舷侧结构响应的影响

极区船舶与浮冰发生碰撞时,冰载荷压力并不均匀,主要分布于结构与浮冰接触的中心区域,这与冰区加强区域结构设计和强度校核采用均布压力作为设计载荷并不一致.参考真实压力分布,以实测压力分布形式离散模拟冰载荷,形成考虑空间分布的冰载荷加载方法.建立舷侧结构有限元模型,分别以均布和考虑空间分布的离散方式将基于能量法计算所得冰载荷作用于舷侧,同时考虑不同浮冰形状和作用位置对空间分布的影响.结果 表明,冰载荷的空间分布对结构响应结果的影响较大,其中浮冰形状为楔形,且作用位置为板格中心的加载工况最为显著.研究过程与结论可为极区船舶设计考虑船冰相互作用时的冰载荷加载方式提供参考.     

Experimental study on a model azimuthing podded propulsor in ice

The objective of this study was to investigate the performance of a model azimuthing podded propulsor in ice-covered water. Model tests were carried out with two different depths of cut into the ice (15 and 35 mm), two different ice conditions (presawn and pack ice conditions), and four different azimuthing angles. The depth of cut is the maximum penetration depth of the propeller blade into the ice block. The 0.3-m-diameter model propeller was operated in a continuous ice milling condition. Ice loads were measured by several sensors which were installed in various positions on the model. Six one-axis pancake-style load cells on the top of the model measured the global loads and two six-component dynamometers were installed on the shaft to measure the shaft loads. One six-component dynamometer was attached to the one of the propeller blades inside the hub to measure the blade loads. The pod unit and propeller performance in ice are presented. Ice-related loads, which were obtained when the blade was inside the ice block, are introduced and discussed. During the propeller–ice interaction, a blade can experience the path generated by the previous blade, which is called the shadowing effect. The effects of shadowing, depth of cut, azimuthing angle, and advance coefficient on propulsor performance are presented and discussed.     

自升式钻井平台的抗冰性能评价

自升式钻井平台属于典型的柔性结构。由于冰与柔性抗冰结构相互作用的复杂性,长期以来尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。结构抗冰设计中大都是从极端荷载出发,只考虑最大静冰力或最大倾覆力矩是否能推倒平台。基于对渤海辽东湾柔性抗冰平台的多年监测,发现强烈的冰激振动引起平台管节点疲劳失效、上部设施的非正常运行、作业人员不舒适等问题的风险性要远大于极端静冰荷载下结构的整体安全问题。文中基于多年现场冰与结构作用观测及冰荷载的研究成果,提出了柔性抗冰结构设计中应考虑的主要失效模式及评价方法。最后,以渤海某典型自升式钻井平台为例,对其抗冰性能进行评价。该文的研究可为寒区自升式平台的抗冰概念设计提供合理依据。     

冰激自升式钻井平台的动力响应分析

由于冰荷载研究的限制,冰区自升式钻井平台尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。为了合理地开展自升式平台结构的抗冰概念设计与安全评价研究,冰荷载下自升式钻井平台的动力响应分析是十分必要的。该文首先分析该类柔性结构在动冰荷载下的动力特性;其次,结合开展的自升式平台冰荷载模型实验研究,明确带齿条桩腿的自升式平台冰荷载作用形式;最后,对渤海某自升式钻井平台在典型冰况下进行冰振动力响应分析。文中的研究对冰区自升式钻井平台抗冰设计及冰振安全评估提供了合理的参考。     

First year ice interactions on Molikpaq: Measurements and experiments

The Molikpaq is a steel mobile arctic structure which has been used for exploration of hydrocarbon reserves on the Canadian Beaufort shelf. In early 1986, the Molikpaq experienced numerous interactions with various ice features at Amanuligak I-65. An extensive ice loads investigation program was conducted as a joint industrial project. Ishikawajima-Harima Heary Industries (IHI) has proposed a method to estimate the global ice load on an arctic structure by utilizing results from ice tank experiments. Experiments were conducted in the IHI ice model tank using a model of the Molikpaq. A comparison between the measured ice loads and the estimated ice loads was made and it was found to be in fair agreement, in spite of some uncertainties involved in both the measured and the estimated ice loads. In this paper, instrumentation which the Molikpaq employed in the investigation program is briefly introduced. Failure modes of ice features observed in the program are also mentioned. The basic idea behind the dual parameters testing and estimating method (DuPTEM) is described. The model experiments and the results are then outlined. The comparison between the measured and estimated ice loads is shown. Finally, uncertainties in both the estimated and the measured ice loads are discussed.     

锥体海洋平台结构冰荷载的离散单元分析

在冰区油气开发中,锥体结构可以有效降低冰力,避免强烈的冰激振动,是目前渤海油气平台的主要结构形式。为研究海冰与锥体结构的相互作用过程,文章建立了适用于模拟海冰破碎特性的离散单元模型。该模型将海冰离散为若干个具有粘接-破碎功能的颗粒单元,并通过海冰弯曲试验确定了单元间的粘接强度;然后对海冰与锥体结构的作用过程进行了数值计算,获得了相应的动冰荷载及冰振响应;在此基础上讨论了不同锥角影响下冰荷载及结构振动响应的变化规律。结果表明,水平方向冰荷载及结构冰振响应随锥角的增加明显增加,而竖直方向冰荷载则显著降低。该离散单元模型还可进一步应用于不同类型抗冰结构的冰荷载分析,有助于解决冰区结构物的抗冰结构设计和冰致疲劳分析。     

拖式吊舱推进器的非定常水动力性能

应用升力面理论涡格法和面元法,建立了拖式吊舱推进器非定常水动力性能的数值计算方法。螺旋桨桨叶采用升力面理论涡格法计算,吊舱舱体及支架采用HESS-SMITH面元法计算,螺旋桨与吊舱及支架之间的相互影响通过迭代计算来处理。针对拖式吊舱推进器,通过系统的计算和分析,研究了螺旋桨负荷、吊舱和支架诱导速度各分量以及标称与实效诱导速度对其水动力性能的影响。研究表明,就吊舱及支架的实效诱导速度而言,轴向及周向诱导速度主要由支架引起,径向诱导速度主要由吊舱舱体引起。当考察吊舱推进器的定常水动力性能时,可略去吊舱诱导速度的径向及周向分量;考察非定常性能时,可略去径向分量,但应考虑周向分量的影响。以吊舱及支架的标称诱导速度作为进流,将导致非定常推力、扭矩的平均值降低,脉动量幅值减小,因此,虽然标称诱导速度容易得到,但据此进行吊舱推进器的性能预报或设计都会引起一定的误差。非定常水动力的脉动幅值取决于船尾伴流与吊舱诱导速度的相对比例,略去吊舱诱导速度会导致桨叶非定常力的变化特征发生较大变化。     

Identification of ice loads on shell structure of ice-going vessel with Green kernel and regularization method

Ice loads are important environmental loads that can influence the structural safety of ships during navigation in ice-covered waters. The identification of ice loads on ship hulls is the core of ice load monitoring. In this study, a new ice load identification model based on Green kernel and regularization methods is established. First, the forward model for ice load identification is developed through the discretised convolution integral of ice loads. Next, three commonly used regularization methods, including Tikhonov, truncated singular value decomposition, and least square QR-factorization (LSQR) are adopted to reduce solution errors. The LSQR method is thereafter selected as the optimal regularization operator, and its regular property is proved by numerical cases with ice-induced strains that contain noise. Finally, two load identification cases are conducted on an experimental rig to evaluate the feasibility of the model in ice load identification. The identified loads can determine the signal features of applied loads in the time domain with good accuracy. This identification model provides new insights for full-scale ice load monitoring.     

基于面元法的吊舱推进器定常性能研究

基于势流理论面元法建立了吊舱推进器定常性能的计算方法.分别建立螺旋桨和吊舱的积分方程,通过在表面上布置双曲面元将方程离散为以面元上偶极强度为未知量的矩阵.螺旋桨和吊舱之间的相互影响通过迭代计算来处理.Newton-Raphson迭代过程被用来在桨叶随边满足压力Kutta条件.为避免数值求导中的奇异性,用柳泽(Yanagizawa)方法求得物体表面的速度分布.支架作为升力体处理,并通过迭代计算更新支架的尾涡形状.计算了拖式吊舱推进器的定常水动力性能,与实验结果的比较表明,计算误差在5%以内.分析了舱体对螺旋桨的影响,舱体的伴流会引起螺旋桨的载荷增大.     

基于CFD技术的砰击载荷强度直接计算

研究基于CFD技术的船舶砰击载荷预报及强度的直接计算,以通过对船波相对运动的短期预报得到入水速度极值,由积分变换得到入水速度的时历曲线,以CFD软件实现船体典型剖面入水砰击载荷的计算,得到船体剖面压力的空间分布,结果表明,船体剖面的压力随着位置高度的增加呈减小趋势,最后通过对某集装箱船进行有限元强度评估,验证了本文砰击强度直接计算方法的合理性和实用性。