船冰碰撞载荷下船舶结构加强方案研究

为了探究水介质对船—冰碰撞结构响应的影响,文章首次对考虑水介质中的船—冰碰撞问题进行了研究。模拟了船舶与冰体在水介质中的碰撞场景,研究船—水—冰三者共同耦合作用对船—冰碰撞的影响。将该计算方法应用于船—冰碰撞的多种工况计算,对比分析了增加外板厚度、横隔板厚度以及肋骨间距等多种加强方案对船体结构响应的差异。揭示了碰撞区域的损伤变形、碰撞力、结构吸能随外板厚度、横隔板厚度和肋骨间距的变化而变化的规律,分析了船舶肩部各主要构件对于抵抗冰载荷作用的能力及贡献。所得结论对于进行冰区船舶结构设计具有参考作用。     

基于流固耦合法的巡逻船首部结构耐撞性能研究

目前船舶碰撞研究普遍采用忽略水对船体影响的附连水质量法,本文将水介质对船舶的影响考虑进去,建立船—水—船相互作用的流固耦合算法。并以600吨级巡逻船为研究对象,建立撞击船与被撞船整船模型以及适当大小的水域,解决了撞击船—流场—被撞船之间的耦合问题。在数值仿真计算过程中,将内部动力学及外部动力学同步分析,获得了不同工况下被撞船的运动状态以及损伤变形、碰撞速度和碰撞力等动态结构响应。所获结果可为巡逻船在不可避免地发生碰撞时提供操船建议,对于提高巡逻船的战斗力具有重要的意义。     

水介质对船冰碰撞结构响应的影响

以极地运输船舶艏部作为研究对象,建立基于流固耦合算法的船-水-冰耦合技术对三维船艏与冰体碰撞的结构响应问题进行了研究,结合非线性有限元软件LS-DYNA对比分析了考虑流固耦合(即有水介质)的船-水-冰碰撞模型和不考虑流固耦合(即无水介质)的船-冰碰撞模型与同质量不同速度的冰体发生碰撞下的结构响应问题,揭示了不同碰撞工况下船舶在损伤变形、碰撞力、速度等方面的变化特征及差异,同时阐述了水介质在船冰碰撞中的作用,可以为极地运输船舶的抗冲击结构设计提供参考。     

考虑预加水压力的船冰碰撞动态结构响应研究

针对水介质环境及水介质环境下速度、角度对船舶的结构响应影响机理,利用船舶CFD技术及非线性有限元法模拟水介质中的船-冰碰撞。对比研究船舶在有、无水介质环境下结构响应特性及水介质环境下不同速度、角度的动态结构响应特性,揭示了船舶在不同工况下的损伤变形及碰撞力规律,得到了有、无水介质环境、碰撞速度、碰撞角度等因素对船-冰碰撞的影响机理,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

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。     

船舶碰撞损伤影响因素研究综述

为减少船舶碰撞损伤的影响、增强船舶航行安全性、保护水面环境，船舶碰撞损伤影响因素受到关注。该文从撞击船首、被撞船舷结构以及两船的相对运动状态等3个方面对船舶碰撞损伤主要影响因素进行综述。从优化船首设计、增强船舷结构强度和驾驶船舶应急操作3个角度阐述减少船舶碰撞损伤的对策建议，指出其中存在的不足，并提出下一步船舶碰撞损伤研究展望：协调缓冲船首刚度与变形度、提高船舶耐撞性与增加船体结构质量，及应急操作与舵手能力不足之间的相互关系。     

基于船-水-冰耦合技术的撞击参数对船冰碰撞性能的影响

以极地运输船舶的首部作为研究对象,建立基于流固耦合算法的船-水-冰耦合技术对三维船首与冰体碰撞的结构响应问题进行研究,成功解决了船体、冰体与流场、船体与冰体之间的耦合,考虑了碰撞过程中船体与冰体的同步损伤,并结合非线性有限元软件Ls-dyna对比分析了冰体质量、船冰碰撞角度等撞击参数的结构响应问题,分析了不同碰撞工况下船舶撞击冰体后损伤变形、碰撞力等方面的变化特征,对分析船舶与冰体碰撞的结构性能具有参考价值。     

计及船体梁载荷影响的船舶舷侧结构碰撞性能

以被撞船舷侧结构作为研究对象,建立了两船发生侧向对中垂直碰撞的非线性有限元模型。并以此为基础,进行了被撞船舷侧结构碰撞数值仿真研究,得到了能量-碰撞船位移以及碰撞力-碰撞船位移的关系曲线;研究了预载荷对船舶舷侧结构碰撞性能的影响。数值仿真结果表明,由于船体梁载荷的作用,船舶结构碰撞性能受到一定程度的削弱。     

高强度钢缓冲型船艏研究

在船舶碰撞事故中，一般船侧的破损程度比船艏大，从环境保护的全局意识及降低整体经济损失的角度出发，应该在保证船艏结构在能够承受常规载荷的前提下适当地减小其纵向刚度，使其在撞击船侧时导致船侧破损的可能性降低。笔者从损伤形态，碰撞力，碰撞力密度和能量吸收等方面对采用高强度钢的缓冲船艏进行研究，发现船艏结构采用高强度钢在等强度的条件下，可减少结构的板厚和船艏结构的临界压溃载荷，从而降低对被撞船舶侧结构的破坏。     

油轮艏部结构碰撞特性研究

在船舶碰撞中,船艏是主要作用方.船艏结构的碰撞特性是影响船-船碰撞过程中被撞船舷侧结构损伤程度的决定因素.为减少碰撞事故损失,应从碰撞的观点对船艏结构的特性进行研究,提出一种研究船艏的碰撞特性的方法及表征船艏碰撞特性的特征量,据以改进船艏设计.根据船艏结构本身的碰撞破损过程,对船艏结构碰撞力与破损深度的关系、艏部构件在碰撞过程中的损伤形态和能量耗散进行了研究,指出碰撞力曲线是船艏结构的一种固有特性.提出了碰撞力面积密度曲线的概念,它可以用于定量表达船艏结构对其它结构的破坏能力.利用有限元数值模拟方法计算了一艘4万吨船艏的碰撞损坏实例,显示了上述碰撞特征并讨论了提高碰撞数值模拟计算精度的方法.     

Ship resistance when operating in floating ice floes: A combined CFD&DEM approach

Whilst climate change is transforming the Arctic into a navigable ocean where small ice floes are floating on the sea surface, the effect of such ice conditions on ship performance has yet to be understood. The present work combines a set of numerical methods to simulate the ship-wave-ice interaction in such ice conditions. Particularly, Computational Fluid Dynamics is applied to provide fluid solutions for the floes and it is incorporated with the Discrete Element Method to govern ice motions and account for ship-ice/ice-ice collisions, by which, the proposed approach innovatively includes ship-generated waves in the interaction. In addition, this work provides two algorithms that can implement computational models with natural ice-floe fields, which takes floe size distribution and randomness into consideration thus achieving high-fidelity modelling of the problem. Following validation against experiments, the model is shown accurate in predicting the ice-floe resistance of a ship, and then a series of simulations are performed to investigate how the resistance is influenced by ship speed, ice concentration, ice thickness and floe diameter. This paper presents a useful approach that can provide power estimates for Arctic shipping and has the potential to facilitate other polar engineering purposes.     

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.     

冰区航行船层冰作用下的结构响应

船冰碰撞是一个复杂的动力学过程,如何得到碰撞中的冰载荷一直是船舶碰撞研究领域的热点之一.本文分别建立300000 t冰区航行船和层冰的有限元模型,基于弹塑性理论及非线性有限元理论,利用MSC.Dytran对其碰撞进行数值仿真,模拟了船首及层冰的接触碰撞过程,最终得到船冰碰撞过程中的碰撞力、船首结构响应、船航速变化及能量耗散等参数.分析船冰碰撞过程中的碰撞机理及特性,并对冰区航行船特别是其船壳提出结构加强的建议,为设计冰区航行船提供一定的参考.     

Ship resistance when operating in floating ice floes: Derivation,validation, and application of an empirical equation

With the effects of global warming, the Arctic is presenting a new environment where numerous ice floes are floating on the open sea surface. Whilst this has improved Arctic shipping navigability in an unprecedented way, the interaction of such floes with ships is yet to be understood to aid the designing of ships and route planning for this region. To further explore this topic, the present work develops a procedure to derive an empirical equation that can predict the effects of such floes on ship resistance. Based on a validated computational approach, extensive data are extracted from simulations of three different ships with varying operational and environmental conditions. The ice-floe resistance is shown to strongly correlate with ship beam, ship buttock angle, ship waterline angle, ship speed, ice concentration, ice thickness and floe diameter, and the regression powers of each of the parameters on resistance are ascertained. This leads to a generic empirical equation that can swiftly predict ice-floe resistance for a given ship in a given condition. Subsequently, demonstrations are given on the incorporation of the derived equation into a set of real-time Arctic ship performance model and voyage planning tool, which can predict a ship's fuel consumption in ice-infested seas and dynamically suggest a route with the least safety concern and fuel consumption. Moreover, the equation is validated by providing ice resistance prediction for experimental and full-scale conditions from multiple sources, showing high accuracy. In conclusion, the empirical equation is shown to give valid and rapid estimates for ice-floe resistance, providing valuable insights into ship designs for the region, as well as facilitating practical applications for polar navigation.     

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。     

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。     

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。