冰区航行船舶轴系时域瞬态扭振计算及软件开发

对在冰区航行船舶柴油机推进轴系运行过程中螺旋桨与冰块相互作用特点及各阶段螺旋桨冰载荷激励力矩时域特性进行研究。采用集总参数法建立扭转振动当量模型,运用Newmark-β法对基于冰载荷作用下某船舶推进轴系进行时域瞬态扭转振动理论计算与分析。基于VB.NET软件开发平台与MATLAB软件进行混合编程,开发了通用的冰区航行船舶推进轴系时域瞬态振动计算与分析的工程应用软件,并与国外软件计算报告进行对比分析,对软件的正确性进行了验证。这项研究对船舶推进轴系在极地/冰区海域的安全性运行提供了理论指导。     

冰区船舶模拟航行设计与自动评估方案

冰区航行模拟器的研发需要完整的需求方案,而国内具有丰富的极区水域航行经验的人员较少,业内无系统且全面的冰区航行模拟器研发需求方案可供参考。在分析《海员培训、发证和值班标准国际公约》(International Convention on Standarks Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers, STCW)、《国际极地水域营运船舶规则》和国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)示范课程等资料的基础上,借鉴冰区水域船舶事故类型特点、国外冰区航行培训经验和中国极地考察船航行经验,通过凝练极区水域基本培训模拟器强化训练的内容,设计典型模拟航行任务及相应的模拟场景,初拟冰区模拟航行的组织方法,构建关键评估指标和智能评估方法,为冰区航行模拟器的研发和相应的训练提供完整方案。该方案可作为极地船舶航行实训和评估指南,供海事主管机关、航海院校和航运公司参考。     

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。     

极地通信导航及探冰设备现状与发展

极地通信导航能力是船舶实现极区科考及安全航行的基础保障，目前国内对极区通信导航理论层面的研究较多，有关惯性导航坐标系编排、卫星导航极区可用性和多传感器组合导航等方面均有大量资料可供参考，但现阶段国产极地通导及探冰设备在极区高纬度航行工程应用尚存在空白。为从系统层级解决设备在极区的工程应用问题，该文结合理论分析极区环境的特殊性、船基座方式对通导探设备性能的影响，对探冰雷达、惯性导航、卫星导航、电子海图及卫星通信等设备在极区的研究现状进行了全面梳理，研究通导探冰设备设计思路，探讨了国内通导及探冰设备后续研发方向。     

冰载荷实船测试研究进展

由于缺乏实际冰况信息和对应的船体冰载荷预报方法,实船测试成为获取冰载荷的重要方法。随着更多极区船舶的建造和冰区航行,近年来取得了丰富的实船测试研究成果。文章系统论述了自2015年以来国内外关于冰载荷实船测试方面的研究进展,包括冰载荷实船测试数据内容和方法、从测试数据到冰载荷的换算方法、冰载荷的影响因素和空间分布特征、冰载荷概率模型和设计极值预报方法等,最后归纳得到的冰载荷实船测试方面的主要研究结论,可为冰载荷的研究提供重要参考,并且指出将冰载荷极值预报方法应用于实船设计仍需要更多的数据积累和理论探讨。     

基于环向裂纹法的冰激载荷船舶运动响应研究

为保证船舶在冰区安全航行和船上机械设备安全，需要考虑冰激载荷特性引起的船舶运动响应问题。论文以一艘极地运输船作为研究对象，采用基于半经验公式的数值方法模拟连续破冰情况下船舶所承受的冰载荷，求解冰区船舶在平整冰区域直航过程中由冰载荷冲击引起的运动响应，计算分析横荡、纵荡和垂荡3自由度冲击加速度，同时基于中国船级社规范，选取PC3冰级，计算规范要求的冲击加速度，将两者计算结果进行对比，揭示了在不同冰厚、弯曲强度和船-冰摩擦系数下加速度的变化趋势。此数值模拟方法对冰区船舶设计与冰区航行具有一定的指导意义。     

极地船舶规范及其主要技术发展

通过梳理极地船舶国际公约、规范技术现状，分析中国船级社建立的极地航行船舶规范特点，并结合我国极地战略及发展需求，总结未来极地船舶规范的技术发展趋势。针对极地船舶破冰技术、防寒技术和航行及保障技术等重要关键技术问题，从船舶结构冰载荷技术、冰载荷作用下的结构强度计算、冰载荷激励下螺旋桨和轴系强度、极地船舶防寒设计与低温试验验证、极地操作能力评估和冰区操作船体监测技术等方面进行阐述，提出了发展建议，为未来我国极地船舶规范体系的自主构建提供技术支持。     

冰区航行船舶推进器特殊性分析

[目的]推进器是船舶航行过程中推力的来源,其设计是船舶设计过程中的关键部分。由于工作环境不同,冰区航行船舶推进器与敞水船舶推进器相比在载荷分析和设计上差别较大。为给冰区航行船舶推进器的设计提供依据,[方法]针对冰级桨的水动力特性、冰载荷以及空泡等性能的特殊性予以分析。[结果]结果显示,在冰区航行时,海冰的存在会导致船舶推进器遭受更大量级的载荷,并且在低进速时易引发推进器的空化现象,产生强烈的噪声。[结论]研究表明,设计冰级桨时要特别注意冰载荷的量级和空化效应,并考虑采用铜合金或奥氏体钢等耐低温材料建造推进器。     

碎冰区航行船舶螺旋桨载荷数值模拟研究

冰区航行船舶螺旋桨会与碎冰发生碰撞,产生的冰载荷对螺旋桨的危害较大。本文模拟冰锥与刚体碰撞试验以验证计算方法的可行性,基于ALE算法的流固耦合分析方法对不同冰层厚度、密集度以及螺旋桨进速的冰桨碰撞进行研究。研究发现,冰载荷与冰厚基本呈正相关性,冰厚大于0.75 m时,冰载荷成连续分布且最大值增长迅速。冰载荷平均值与冰区密集度呈递增关系,最大值与密集度不呈递增关系,当密集度大于7/10时,冰载荷影响剧烈。螺旋桨进速越大,冰载荷越大,进速大于1.5 m/s时,冰载荷增长迅速。通过冰桨数值模拟分析,为实际船舶螺旋桨在碎冰区航行提供参考。     

艉部先行模式下的船-冰碰撞载荷模型试验研究

双向航行极地船舶带来了艉部先行的全新冰区航行模式,然而现行冰级规范中针对艉部区域的设计冰载荷及结构加强水平仍存在着较大的分歧。以我国双向破冰极地科考船雪龙2号为原型开展冰水池物理模型试验,对艉部先行模式下船尾与巨型浮冰的碰撞进行模拟。在碰撞过程中船体冰载荷由粘贴在船尾表面的触觉传感器测得。通过艉部碰撞载荷测试数据,建立了以船体区域因子为基础的艉部区设计载荷评估依据。通过对不同超越概率下艉部区域因子的考察,最终推荐IACS或DNV的建议值,用于双向航行极地船舶的艉部区结构强度设计。针对不同冰级规范艉部区域因子取值的差异,通过讨论设计极限状态与冰条件之间的对应,指出区域因子与极限状态的潜在关联。