基于环向裂纹法的气垫平台破冰载荷数值模拟

气垫船因其独特的船体构造能适应冰面、水面、陆地等多种环境,也可以很好地完成运送物资、救援、破冰等任务.设计气垫破冰船或者破冰平台时,冰载荷预报对于总体和船身结构安全十分重要.本文利用理想化破冰假设,基于环向裂纹法求解气垫平台在低速下在全冰面上破冰过程中所受的冰力;基于直径为50 m的气垫平台在不同气垫压力的情况下进行破冰过程的数值模拟,得到了在低速下不同气垫压力大小时的冰力时历图.通过分析冰力时历图,可认为气垫压力会通过影响气腔高度以及气腔扩散半径来影响气垫平台低速破冰时的冰力,且当气腔扩散半径等于冰碎裂半径时,冰力达到最小值.     

船首形状对船-冰碰撞性能的影响研究

基于冰的各向同性弹性断裂模型,分别以船首的初速度和冰的厚度为变量,采用LS-DYNA非线性有限元软件对不同船首形状与冰排碰撞问题展开数值模拟研究。研究结果表明,不同形状船首在相同工况下其破冰距离、受到的冰载荷以及能量变化有显著差异。前倾首、飞剪首的破冰能力比直立首、球鼻首强,随着船首初速度的增大、冰厚的增加,飞剪首的破冰能力逐步好于前倾首,球鼻首的破冰能力逐步好于直立首。本文研究对于航行于季节性冰区的船舶具有一定的指导意义。     

基于模型试验的气垫船低速破冰机理研究

为探索气垫船低速航行时的破冰机理,在低温拖曳冰水池中开展了系列模型试验研究.在模型试验中,以一艘内河自航气垫破冰船为原型,分别基于弗汝德和柯西相似准则建立了合理的模型试验相似体系.结合原型结构信息和实验室条件,确定了适当的模型比尺,从而加工制作了与原型结构相似的气垫船模型.气垫船模型同样由垫升风机、气道结构、支撑结构和围裙结构四部分组成.在各组试验中,调节气垫船模型的垫升高度,在试验拖车驱动下以相同的航速穿过模型冰排,并在试验过程中使用测力传感器和压力传感器测量结构的航行阻力和垫升压力.通过细致观察气垫船模型与模型冰排的相互作用过程,结合测得的航行阻力和垫升压力,解析了气垫船的破冰过程,揭示了气垫船在低速航行时破冰的关键机理.通过试验发现,气垫船只有达到一定吃水深度时才能有效破冰.气垫船低速航行时的破冰机理是在冰下形成稳定的气腔,促使冰排在上部结构和下部高压气体的共同作用下发生弯曲破坏.     

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。     

不同船首构型的冰区邮轮破冰性能研究

由于冰区邮轮航域的特殊性,冰区邮轮仍需具备一定的破冰性能,开展船首构型对破冰性能的影响研究对冰区的船型开发具有重要的工程指导意义。本文通过建立不同船首构型的冰区邮轮模型,采用ALE方法数值模拟各船型在冰区中以恒定航速连续式破冰前行的运动场景,分析研究不同船首构型的冰区邮轮破冰性能差异。研究结果表明：在船首倾角20°～30°范围内,船体所受的冰阻力先随着船首倾角的增加而降低,在22.5°时达到最低,之后随着船首倾角的增加而逐渐增大;首倾角为22.5°的ModelⅡ船型在破冰航行过程中,船首应变区域最小,因碰撞产生断裂的冰块尺寸更小,从而降低了该船型的冰阻力,其破冰性能在5种对比船型方案中最为优异。     

基于流固耦合方法的船舶破冰阻力参数敏感性研究

本文基于带有塑性应变失效准则的弹性断裂失效模型建立平整冰有限元模型,采用LS-Dyna流固耦合方法对船舶在平整冰条件下航行的冰载荷开展了数值模拟,选取航速和平整冰厚度作为敏感性参数,分析了参数变化对破冰阻力的影响。研究发现:各方向上的冰载荷在时域上均存在一定的周期性,冰层在船艏撞击和浮力作用下,通常以多种破坏模式的混合方式同时出现;船舶在平整冰环境下的破冰阻力随航速和冰厚的提高基本呈线性增加的趋势,不同航速及冰厚条件下的破冰阻力数值计算结果与Lindqvist经验值的误差分别在-7.5%～13.1%和-10.8%～19.4%范围内,采用LS-Dyna流固耦合方法对船舶破冰阻力进行预报具有较高精度。     

高密度中低速全垫升气垫船越峰问题的探讨与实践

1吨级试验艇属于高密度中低速气垫船,其与气垫密度成平方关系的阻力峰值较大而设计推力相对较小,经采取措施解决了越峰困难问题。原阻力计算方法在阻力峰值处的计算结果不够精确是原因之一,故根据移动压力面兴波理论编制了直接计算兴波阻力的程序,使计算越峰所需推力更接近试验结果。理论计算与工程实践表明,在设计高密度中低速气垫船时需特别关注越峰性能校核,建议第一阻力峰处设计越峰裕度在原计算方法基础上应修正至不小于30%为宜。     

不同航速和航道水深条件下气垫船冰面兴波数值计算

气垫船破冰是指采用大吨位气垫船在冰面上航行进行破冰,是一种较新的内河破冰方法,可应用于黄河凌汛灾害的防治领域。论文采用欧拉-拉格朗日耦合算法对不同航速和水深条件下气垫船在冰面上的兴波进行了数值计算,分析了航速和水深对气垫船冰面兴波的影响。超临界航速下,气垫船逐渐追赶并超越船首的波峰,对所兴起的波动起相反的压制作用;临界航速下,气垫船始终位于船首波峰后方,对所兴起的波动起持续的推波作用,在冰面上逐渐兴起幅值较大的波动。船尾波谷处的最大主应力值相对大一些,冰层破裂最先发生在船尾的波谷处。水深增大后,气垫船冰面兴波的峰值位移和谷值位移、波峰和波谷处最大主应力值均有所减小;气垫船的临界航速则增大,水深增大后对气垫船破冰不利。     

某型极地破冰船的艏部线型优化

极地破冰船首部线型的优化设计,既需要考虑在冰区作业时的破冰能力,又要兼顾其在敞水域中的航行性能.该文基于不同的冰阻力预报经验公式,对冰阻力和破冰船首部特征参数进行敏感性分析,提出破冰性能较佳的首部特征参数取值范围,并兼顾敞水域阻力性能进行首部线型优化.经过敞水域中的模型阻力试验验证和冰区中的阻力数值模拟验证,优化方案在敞水域中设计航速附近的阻力增加约2％,但在不同层冰厚度下、破冰航速时的冰阻力下降7％～12％.     

基于流固耦合方法的极地船型破冰性能研究

破冰性能是极地船舶总体性能的重要组成部分,开展极地船舶破冰性能理论研究对极地船舶的船型开发具有重大意义。论文选用带有塑性应变失效准则的弹性断裂失效材料模型模拟平整冰层,采用LS-Dyna流固耦合方法模拟极地船舶在极地无限冰区中连续破冰航行的场景,分析3种不同船型船舶的破冰性能差异。研究结果表明,在平整冰区连续破冰航行过程中,极地船舶所受冰载荷具有高度非线性震荡特征,船首与冰层直接作用区域的应力呈环状分布。直立型首和球鼻型首极地船型主要使冰层发生挤压破坏,而破冰型首极地船型能够有效引导冰层发生下压弯曲破坏,并最大程度地限制冰层的挤压破坏,其破冰性能优于其余两船型。     

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。     

破冰结构与冰载荷相互作用下的破坏模式和损伤机理研究

本文首先利用LS-DYNA建立各向同性粘塑性有限元数值模型,并结合ISO推荐压强-面积理论曲线和相关学者的实验数据,验证数值模型的可靠性。其次,比较两种典型破冰结构的破冰机理和破冰效果,对破冰船在行进方向受到的阻力分别与首部外板倾角和水线面首部夹角的关系做了讨论。最后,分析了普通船舶船首与冰层碰撞时的损伤特点。结果表明：冰刀式破冰结构的破冰作业效率比压溃式更高,而压溃式破冰结构的安全性要比冰刀式更好;船舶与冰排相撞时,船首的易受损部位主要分布在首柱后侧临近区域和两侧船-冰接触区域,其中外板吸能最多,横向骨材吸收撞击时所产生的能量多于纵向骨材。因此,要结合实际航行水域的冰情、船舶功能和主机功率等因素,才能选取合适的破冰结构以达到最好的破冰效果;在破冰船船首设计和建造时,应增加船-冰碰撞区域船首外板的厚度,船首结构尽量采用横骨架式结构。     

极地船连续破冰阻力数值模拟研究

连续破冰是自破冰型极地船舶中最常用的破冰模式,连续破冰阻力精确计算是极地船舶航行性能预报和船型优化设计的基础。论文提出一种基于预设冰网格技术的连续破冰阻力数值模拟方法,预先对船体水线附近的线型进行分层离散及对冰场进行方形网格离散,通过几何计算和受力分析数值模拟连续破冰进程及产生的破冰阻力分量。进一步考虑连续破冰阻力与运动耦合效应,在时域内建立船体6自由度运动微分方程,数值求解获得连续破冰阻力时间历程结果。利用该数值模拟方法计算获得了一艘PC3级极地油船连续破冰阻力时间历程结果,并将冰阻力有义值与对应的模型试验结果进行了对比。研究表明,数值模拟获得的连续破冰阻力时历结果能够反映连续破冰进程,数值模拟获得的冰阻力有义值与模型试验结果的误差在12%以内。论文的数值模拟方法能够高效、精确地模拟连续破冰进程及冰阻力,具有一定的工程应用价值。     

气垫船波浪载荷预报方法研究

高速气垫船对船体结构重量控制严格,而合理确定作用于船体的波浪载荷是结构设计、优化和安全性评估的基础。本文在气垫船船体结构受力特点分析的基础上,采用“分段船模”模型试验方法对目标气垫船开展了波浪载荷预报研究,重点解决了试验模型垫升系统动力特征相似、重量控制等关键问题。试验结果能反映目标气垫船围裙气垫的响应特点,说明所用分段船模试验方法预报气垫船运动与载荷的结果可信。基于此,对目标气垫船波浪载荷设计值的规范计算结果表明,给定的载荷规范计算方法可为气垫船结构设计提供参考。     

砰击载荷作用下船体局部结构优化设计

本文以某船船首结构为研究对象,基于Fluent与Sesam分别计算了船体砰击压力系数和砰击瞬时船体与波浪之间的相对速度,采用"两步走"的方法对船首底部及外飘处的砰击载荷进行研究。考虑砰击载荷在船首区域的时空分布,将该载荷分区施加在船首结构表面,计算了船首结构在砰击载荷作用下的结构响应。研究发现,在船体纵向方向,越靠近船首的位置,相对入水速度越大;在垂向方向,入水速度呈现先增大后减小的趋势。根据计算结果对船首局部结构进行了优化设计。     

极地船冰载荷简化计算方法研究

在极地船破冰过程中,船体--海冰之间将产生十分复杂的动力学行为。本文利用有限元数值仿真软件LS-DYNA模拟一艘极地船连续破冰过程,提出了考虑冰水耦合作用的冰载荷数值计算方法,研究了考虑海冰与海水的耦合作用对作用于船体的冰载荷量值的影响。将本文提出的数值计算方法结果与冰池模型试验数据进行了对比分析,对数值算法的合理性与准确性进行了验证。在此基础上,提出冰载荷准静态分析方法,将有限元直接计算结果与规范设计载荷对比分析,引入动力缩放系数,并将其应用到冲撞式破冰能力计算的冰载荷简化模拟方法。     

气垫船优化设计探讨

主要针对气垫船总体优化设计,提出了影响气垫船总体性能的气垫参数,通过寻找气垫参数与阻力性能、耐波性、运输效率、推进效率、垫升效率之间的相互关系,分析了气垫参数影响总体性能的变化规律.在此基础上探讨了气垫参数对总体性能的综合影响,以寻求综合性能最佳为目标,提出了气垫参数较为合理的取值范围.     

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。     

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.     

破冰型大型航标船线型开发设计及破冰阻力评估研究

结合北海航海保障中心大型航标船的破冰功能需求,为本船选取合理的推进功率,对本船具有破冰功能特点的线型设计进行分析论述,同时运用破冰阻力经验公式对本船在一定冰厚和航速下的破冰阻力进行估算,结合冰池试验结果对破冰阻力数据进行对比分析,并进行冰区航行的快速性评估。