极地海域撬冰式破冰拖船关键技术应用研究

针对破冰船的破冰结构和船体艏艉线型形状对破冰效率的影响问题,基于船体艏艉型线和形状及撬冰式冰刀结构形式的研究和探索,提出了破冰船的破冰冰刀设计方法。同时,阐述了船体艏艉形状对破冰效果的影响,论证了两种方法用于常规动力破冰拖船的实际效果,得出了通过对船体艏艉型线和形状以及撬冰式冰刀结构形式的优化设计能够达到小吨位海工船破冰目的的结果,并取得了较好的实效。     

一种撬冰式破冰艏设计及静水阻力计算

基于近年来对X型艏与撬冰式船首的研究，设计一种能够兼顾无冰水域阻力特性的新型撬冰式破冰艏。通过数值模拟计算两型主尺度相同但分别具有新型破冰艏与传统球鼻艏的海工辅助船的静水阻力，并进行对比以及通过船模试验进行验证。结果表明，具有新型破冰艏的船舶在设计航速下的阻力更小，为破冰船静水阻力性能与破冰性能无法同时兼顾的问题提供了新的解决思路。     

斧艏线型在高速艇中的应用

高速艇线型优化是方案设计的重点，采用CFD方法，对适用于排水型高速艇的斧式直首线型进行分析研究。通过对某常规高速船线型进行艏部改型，改型中主要控制船体中部以及尾部保持一致，仅将艏部改为斧艏线型，比较静水力性能以及水动力性能，包括快速性和耐波性等，分析两种线型的优劣。采用RANS方法以及势流的方法进行计。根据文章采取的不同减阻方案，优化后的线型具有较为明显的减阻效果，并且斧艏线型具有更优秀的耐波性。     

基于VUMAT的海洋结构物撞冰行为数值仿真

对海洋结构物撞冰行为和冰载荷特性进行研究.基于ABAQUS通用有限元软件平台开发理想弹塑性冰材料VUMAT用户子程序;根据Tsai-Wu屈服准则和经验失效准则,采用完全隐式向后欧拉回映算法实现冰材料应力和应变的更新,并通过单个单元的压缩和拉伸试验验证该子程序的可行性.采用已开发的冰材料VUMAT子程序模拟刚性直立圆柱结构以不同速度撞击平整冰排,研究海冰的损伤过程,并分析碰撞速度对结构物承受冰载荷的影响.模拟刚性勺型破冰艏冲撞式破冰场景,并研究冰层厚度对冰载荷的影响.     

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。     

艉部先行模式下船舶冰阻力试验预报方法研究

在双向航行极地船舶的基本设计与线型优化阶段，需要对艉部先行模式下的冰阻力进行可靠的试验预报。吊舱与螺旋桨对艉部船-冰作用存在影响，但现有试验规程尚未合理考虑在该影响下船舶冰阻力的变化。以中国双向航行极地科考船“雪龙2”号为原型开展冰水池模型试验，对艉部先行模式下连续破除平整冰的过程进行了模拟。通过水上-水下联合摄录设备观测了船尾前冰层的破坏现象，并描述了螺旋桨对艉部船-冰作用的影响；结合艉部先行试验数据，提出了艉部先行模式下确定冰阻力的推荐方法，为艉部先行模式下的船舶冰阻力试验预报提供指导。     

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。     

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。     

大型高冰级破冰LNG船结构设计

针对LNG船在极地高冰级要求下的结构设计问题,基于PC规则和俄罗斯规范对某大型极地破冰LNG船完成满足PC3、PC4和Arc7高冰级要求的三套结构设计方案,探讨艏艉双向破冰要求的冰区加强区域划分方法,分析对比PC3、PC4和Arc7三种冰级冰区加强的要求和计算结果,通过有限元直接计算分析模拟冰载荷对船体结构造成的影响并与规范计算的结果进行比较。     

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。     

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。     

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。     

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.     

不同泊位长度对LNG船系泊的影响

通过1∶60的整体模型试验研究了不同泊位长度对17. 2万m~3LNG船系泊的影响,分析了船舶在风浪流联合作用下的运动量和缆绳张力变化情况。研究表明:横浪、横风、落潮流条件下,泊位长度缩短,艏、艉缆力分担了部分横缆力,对均衡艏、艉缆和横缆力有利,最大缆力变小;顺浪、顺风、落潮流条件下,泊位长度变化对系缆力影响不大;斜浪、横风、落潮流条件下,船舶受斜波作用,其纵横向均分配波浪力,倒缆与横缆或艏艉缆的受力基本相当;顺风时,倒缆力会大于横缆力和艏、艉缆力。该研究为天津LNG项目推荐了合适的泊位长度,可为码头工程设计提供参考。     

大型半潜船球首设计及阻力性能对比分析

在船速较低的肥大型船舶上，安装球鼻艏会在很大程度上降低船舶受到的阻力，球艏对艏部型线有缓和的作用,使船舶艏部水流发生改变,减少艏底漩涡,从而降低形状阻力，进而改善船舶的水动力性能。根据设计的10万吨级半潜船船型的船模静水阻力试验情况，该船舶船首由直立型改为球鼻艏型式，通过对原型和改进后的船型的阻力试验结果进行对比，检验了新船型的减阻性能，同时对船尾伴流场进行了研究，发现船首形状改变对尾部半流场影响不大     

超大型集装箱船艏艉砰击强度直接计算方法

超大型集装箱船的船艏显著外飘、船艉宽平外悬,使其在恶劣海况下航行时容易发生严重的砰击。为确保船体艏艉部结构在砰击中不发生损坏,需要研究作用到艏艉外板上的砰击压力,并以此为设计载荷来校核外板和相连结构的强度。目前对集装箱船砰击局部强度的校核要求仍以经验公式为主,但是为提高对超大尺度船舶强度校核的可靠性,近年来推出了砰击的直接分析方法。本文初步分析了砰击直接分析方法的基本原理,并运用该方法对20,000 TEU集装箱船的艏、艉部砰击压力以及最小板厚要求进行了研讨,其结果可为超大型集装箱船的结构设计提供重要的参考。     

Numerical simulation of level ice impact on landing craft bow considering the transverse isotropy of Baltic Sea ice based on XFEM

Ice bending is a major failure mechanism of level ice when ships and marine structures interact with level ice. This paper aims to investigate the ice bending and ice load when level ice collides on ships and marine structures using numerical simulation method, and compare the numerical results with field test. The fracture of ice is simulated with extended finite element method (XFEM), and cohesive zone concept is used to describe the crack propagation. In order to consider the characteristics of S2 columnar ice, a transversely isotropic elastic material model is used for the ice bulk elements, and a transversely isotropic Tsai-Wu failure criterion is adopted to predict the initiation of cracks. A well-controlled field test of a landing craft bow colliding with level ice in Baltic Sea is simulated to verify the numerical scheme. The ice plate's continuous deformation, crack initiation and crack propagation at different impact velocities and angles are simulated and the results are discussed. In the simulation, the bending crack emerges at the midline of the top surface of ice plate, then propagates towards free boundary, and finally a circumferential crack forms. It is found that with the impact velocity increases, the bending load increases and the fracture size (perpendicular distance from the crack to the contact edge) decreases. And as the angle between the landing craft bow and vertical direction increases, the bending load and the fracture size decrease. The simulated results corresponds well with the field test. The competition between the circumferential crack and radial crack is also found in the simulation and will be discussed in this paper. The results show that this method well simulates the bending of level ice and predict the ice load, and provides a good approach for investigating the mechanism of different forms of level ice fracture.     

一种实用船型设计方法

介绍船型设计中对兴波阻力影响最大的两个因素--横剖面面积曲线和球鼻首的设计方法.20年间,结合实用船型的特点,采用该方法研发出一种对中高速船行之有效的船型设计程序,并先后对四种具有完全不同尾型的实用船型进行优化设计,即1984年完成的球首长轴套新船型、1988年完成的球首蜗尾新船型、1992年完成的球首双尾新船型、2002年完成的球首常规尾沿海客滚船新船型,都取得了良好的消波、减阻与节能效果.在设计航速下,与各自的对比船型相比较,四种新船型均大幅度减小兴波阻力,减小剩余阻力20%以上,节省有效功率分别为16.2%、5.5%、5.8%、10.3%.     

冰区航行船舶冰阻力研究方法综述

船舶在冰区航行时的冰阻力性能一直是国内外关注和研究的重点。冰阻力的研究主要集中在经验方法、数值模拟和实验研究三个方面。同时,由于冰区船舶在航行过程中频繁地与冰层或浮冰产生碰撞,海冰的材料结构和力学性质对冰阻力的研究有重要影响。文章从冰的物理力学特性出发,简要回顾几种重要的冰本构关系模型及其适用性;并从经验方法及试验与数值模拟相结合两个角度,回顾和讨论浮冰区和平整冰区中船舶的冰阻力性能研究进展;最后,基于研究现状提出尚需进一步解决的问题。文章旨在介绍冰区船舶冰阻力性能的研究进展,望能为后续冰阻力研究提供参考。