极地物探船破冰阻力数值仿真及试验研究

由于极地物探船作业的特殊性,极地海域冰况对物探船阻力会产生较大的影响.开展极地物探船冰阻力性能研究对船型开发具有重大意义.本文利用数值仿真方法和冰池模型试验方法研究极地物探船在平整冰区的航行过程,并对比分析2种研究方法的试验现象和结果.研究表明:数值仿真方法可以较为准确地反映出极地物探船在平整冰区的航行过程和冰层的破碎...     

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。     

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。     

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。     

极地航行船舶概念设计多目标优化方法研究

随着北冰洋海冰的融化,北极航线因其带来的巨大商业利益而变得越来越重要。因此,高效环保的绿色极地航行船舶研发显得尤为迫切。本文围绕极地航行船舶的冰/水动力特性,提出了以破冰航行效率作为衡量破冰能力的技术指标,进行了破冰航行效率的理论推导,建立了以破冰航行效率、EEDI和相对回转直径为目标函数的综合性能多目标优化模型,并以一艘油船为例开展了优化研究,为进一步确定极地船舶的主尺度和船型优化提供了方法。     

基于多目标优化算法NSGA Ⅱ的极地穿梭油轮型线设计

[目的]随着北极丰富油气资源的不断开采,需要大量满足极地航行要求的船舶。[方法]将非支配排序遗传算法(NSGA Ⅱ)应用于船体型线优化设计,提出极地船舶多目标优化方法。以船舶无冰静水阻力以及冰区航行阻力为优化目标,通过极地船舶排水量以及船舶能效设计指数EEDI两项标准进行船型筛选,快速实现满足冰区船舶装载量与EEDI排放要求的船型优化。以常规6.5万吨穿梭油轮为研究对象,采用全参数化建模方式,通过极地船舶多目标优化方法分别对3种不同艏部形式的船型进行优化,[结果]优化后的船型均满足冰区IA级航行要求,其中无冰静水阻力最大减小约12.94%,冰区最小推进功率最大减小约27.36%,[结论]有效验证了基于NSGA Ⅱ的极地船舶多目标优化方法的可行性与合理性。     

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。     

盐水柱状模型冰弯曲强度试验分析

冰区航行船在平整冰层中破冰航行时,弯曲破坏是主要的破坏形式,因而弯曲强度的研究具有重要的工程意义.本文依托室内冰水池的试验条件,结合原位悬臂梁方法对盐水柱状模型冰的弯曲强度进行了一系列试验研究,测量了模型冰的密度、温度、盐度等基础特性和不同试验条件下的弯曲强度,分析了加载速率对模型冰弯曲强度的影响,确定了冰样尺寸对模型冰弯曲强度的作用,讨论了回温时间、失效时间和弯曲强度之间的关系.本系列试验可为模型冰力学特性的相关研究提供参考.     

船舶冰区航行动态建模

冰区航行船舶操纵仿真训练平台的建立,可完善现有航海操纵模拟器的操船训练功能。针对船舶冰区航行特点,运用微元法建立船舶冰区航行动态数学模型,并将该模型加载到航海操纵模拟器的平台开发中。利用微元法对船舶与冰层接触部分进行分析研究,得出船舶纵向、横向和垂向3个方向上冰层对船舶的冲击速度,从而得出船舶各个方向上受到冰块冲击力的大小,并将其加入到分离型船舶操纵运动数学模型中。通过对给定船型进行旋回仿真实验,实验结果表明本文建立的船舶冰区航行运动数学模型的误差在20%以内,可以应用于现有的航海操纵模拟器开发应用当中。     

极地破冰船动稳性敏感度分析

船舶动稳性性能对于确保恶劣海况下的航行安全具有重要意义。我国的极地破冰船需要经过较长航程的敞水航行才能顺利到达极地冰区,为了评估极地破冰船型在敞水中动稳性的安全水平并为未来新船型的开发积累经验,采用国际海事组织(IMO)第二代完整稳性衡准中的薄弱性衡准方法对两个不同尺度的概念设计方案分别开展了动稳性敏感性评估。研究表明,现有概念设计方案对于参数横摇和过度加速度失效模式表现出了一定的敏感性。通过分析诱发敏感性的船型设计参数,指出了未来开展进一步优化研究的方向。     

船舶结构冰载荷的监测识别方法及时空特性分析

冰载荷是主导极地船舶结构抗冰设计的环境载荷，对冰激应变的实船测量是获取冰载荷的重要途径。在我国北极科考期间，对“雪龙2”号极地考察船开展了冰载荷现场监测。论文基于对正应变测点布放位置敏感性的分析，合理制定光纤光栅传感器的安装方案，采用影响系数矩阵法对冰载荷进行识别。在此基础上，针对平整冰区冲撞式破冰工况下冰载荷的整体和局部时空分布特性开展研究。结果表明：肋骨腹板上靠近且垂直于外板的挤压正应变比平行于外板的弯曲正应变更适合于作为冰激应变的观测量；海冰沿船体表面擦碰及受船体下压作用而发生弯曲破坏，冰载荷在船体首肩部呈现自水线下潜至船底的整体空间移动特性；高压力区形状和面积变化不明显、组成部分缺失以及主次压力区转换等瞬时演变形式分别是海冰纯挤压、剥落和非同时挤压等局部破坏模式的外在表现。结果可为船舶结构冰载荷的监测识别技术与时空分布特性研究提供参考。     

极地冰区船舶发展分析

分析了极地冰区船舶发展的背景,对极地航道、资源开发等因素等进行论述,认为发展极地冰区船舶是未来船舶行业发展的重要方向。研究了与极地航行船舶相关的规范、规则的发展情况,认为规范和规则对极地冰区船舶的运行安全和减少排放等要求日趋严格,各船级社对极地船舶的设计要求和验证方法逐渐统一。介绍了当今世界主要的破冰船船型及动力系统,并对极地冰区船舶的发展特点进行分析。     

盐水柱状模型冰弯曲强度数值计算分析

[目的]冰区航行船舶在平整冰层中破冰航行时,弯曲破坏是主要的破坏形式之一,因而对弯曲强度进行研究具有重要的工程实践意义。[方法]首先,采用离散元方法(DEM),利用CSSRC冰水池冰力学试验获得计算参数;然后,应用矩形单元对冰层进行离散,引用元胞数组控制力的传递对柱状模型冰的弯曲强度进行数值计算研究,并利用盐水柱状模型冰弯曲强度试验数据对计算结果进行校核,以确保数值计算模型的可靠性。[结果]通过该数值模型计算得到了弯曲强度随速度、宽厚比、长厚比改变的变化规律,由计算结果的误差分析得到了冰样弯曲强度的基本范围。[结论]所提方法可为模型冰力学特性的预报提供参考。     

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。     

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。     

“雪龙2”号极地科考破冰船在沪下水

正2018年9月10日,我国首艘自主建造的极地科考破冰船"雪龙2"号在上海命名下水。其船长122.5米,宽22.3米,7.85米,排水量约13 990吨,自持力60天,载员90人,能以2～3节的航速在冰厚1.5米+0.2米雪的环境中连续破冰航行,满足无限航区要求,具备全球航行能力。"雪龙2"号采用国际先进的船艏船艉双向破冰船型设计,并具备全回转电力推进功能和冲撞破冰能力,可实现极区原地360°自由转动,并可突破极区20米当年冰冰脊,船舶机动能力比"雪龙"号大幅提升。     

极地模块运输船防冰防冻措施

文章简要介绍模块运输船的船型功能和特点。中远船务研发的经济型极地模块运输船,冰区加强等级为LR船级社冰级符号"1A",满足季节性极地冰区航行要求。以此船为例研究其防冰防冻措施,为该类船舶在极地安全运营提供有效保障。     

基于内聚力接触法的船舷侧-平整冰相互作用数值模拟

针对极地航行船舶与平整冰碰撞挤压的典型场景，采用内聚力接触法模拟平整冰与舷侧碰撞发生挤压破坏的过程，构造粗糙化单元表面模拟冰与结构物表面的非同时接触，选取均匀化冰体单元描述冰的微裂纹扩展和挤碎的过程。在此基础上，分析不同碰撞场景下舷侧局部载荷的分布规律，并对舷侧结构变形和吸能结果进行分析。仿真结果表明：局部载荷的大小与碰撞速度的关联性不强；在平整冰与舷侧碰撞过程中，纵骨对结构抵抗外载荷并保持稳定的贡献较大。     

新建极地科学考察破冰船的推进方式

极地科学考察破冰船主要承担执行极地科学考察和部分物资补给运输任务,首要功能是破碎水面冰层、开辟航道。船舶的破冰能力主要取决于船型设计、破冰方法以及推进方案等,其中影响船舶破冰方式和破冰能力的最关键因素是推进方案。在基本确定电力推进的基础上,研究比较不同电力推进方式在破冰船上应用的优缺点,并对新建极地科学考察破冰船的推进系统方案进行介绍。     

极地破冰型阿芙拉油船的线型设计

为开发PC6冰级的阿芙拉油船线型,总结归纳极地水域航行船舶规则中对PC型极地航行破冰船舶的要求,探究破冰线型的基本特点。在常规Aframax油船线型的基础上,设计两型不同形式的满足PC6要求的线型,按照规范计算包括原线型在内的三型线型的有效冰载荷,计算各线型在开敞水域设计航速下的快速性,对比计算结果,综合分析,确定满足要求的PC冰级Aframax油船线型。