基于非线性有限元法的船舶冰区破冰数值模拟

应用非线性有限元法进行了破冰船冰区破冰数值模拟。通过比较数值模拟结果和试验结果,对冰体材料模型进行了验证;采用该冰体材料模型,对破冰船以不同航速在不同厚度的层冰中破冰航行时的动态响应进行了数值研究,给出了破冰过程中层冰的变形、冰力的大小以及冰的变形能和动能变化,分析了船速、冰层厚度对破冰阻力的影响。该研究结果对分析破冰船在层冰中破冰时的动态响应特性具有一定的参考价值。     

破冰船冲撞式破冰模拟及结构损伤分析

提出一种适用于船冰碰撞的海冰材料模型。基于该材料模型,通过非线性有限元模拟冰台撞击刚性墙,验证该模型的正确性,并成功将其运用于某PC3冰级破冰船冲撞式破冰过程数值模拟中。研究破冰船冲撞不同厚度层冰的动响应结果,总结船冰相互作用过程中碰撞力和能量的变化、船体结构损伤特性和破冰能力,研究成果可为破冰船结构设计提供参考。     

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SPH方法的连续式破冰数值模拟

根据海冰的力学性质,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法建立海冰本构模型,模拟冰锥实验并与实验结果对比,对冰材料模型准确性进行验证.利用显式动力分析软件LS-DYNA模拟破冰船连续式破冰,得到了海冰的损伤变形和破冰阻力,同时研究了船舶航速和海冰厚度等参数对冰载荷的影响.分析研究表明:应用SPH方法建立的海冰模型能够真实的反映海冰的力学性能,对连续式破冰过程实现较为准确的模拟,为船冰碰撞的数值模拟提供了新思路.     

冰载荷的特性研究

应用六自由度数值模型对某破冰船的连续式破冰过程进行数值模拟,得到其冰载荷的时历,并将其与试验结果进行比较,验证该方法的正确性,同时分析冰载荷动态性变化的原因。通过计算得到破冰船在不同速度及冰厚条件下的冰载荷和运动响应,以及航速与船舶冰载荷之间的关系。     

破冰船冲破冰层的有限元数值仿真研究

基于＂冲撞式＂破冰法以及有限元仿真法的原理,利用MSC.Patran/Dytran软件进行冰载荷的数值模拟,研究模拟破冰船冲撞冰层的过程中的关键技术,分析确定适合于本文所用的研究方案,对整个破冰过程中冰层的变化过程进行分析,并通过对比不同的冲撞速度、撞击角度以及冰层厚度,研究这些参数的不同对破冰船破冰能力的影响。     

基于数值仿真与经验公式的船舶破冰阻力预报

首先选取并验证合适的冰材料模型,通过建立冰排与破冰船有限元模型,应用非线性显式动力学软件Ls-dyna对破冰船在不同冰厚、不同船速条件下的连续式破冰过程进行数值模拟,并将不同冰况下仿真结果和经验公式计算得到的冰力值做对比研究。最后对各个经验公式中的主要参数进行敏感性分析,得出各个参数对冰阻力计算的影响差异程度,对冰阻力估算和船体结构设计具有重要参考价值。     

连续破冰模式下极地破冰船艏部冰载荷计算方法研究

极地破冰船在破冰过程中的冰载荷预报是破冰船设计过程中亟待解决的问题。论文根据能量守恒原理提出了连续破冰模式下冰载荷的分析方法;运用非线性有限元软件模拟破冰船的连续破冰过程,获得不同冰厚和不同船速下的船艏碰撞力时历曲线。通过理论计算及数值仿真结果的对比分析,证实作者提出的连续式冰载荷理论计算公式和数值仿真方法的可行性。计算方法及计算结果对于破冰船结构设计具有重要的参考价值。     

船-冰碰撞下冰材料有限元数值方法研究进展

浮冰碰撞下极地船舶结构响应研究是当今的热点话题.由于冰体是一种包含着固体冰、卤水、气体以及杂质等较为复杂的天然复合材料,其力学性质受盐分、杂质等成分含量,以及温度、应变率和形成年份等因素影响较大,开发准确有效的冰体材料本构模型以及有限元数值模拟方法是船-冰相互作用研究的关键难点问题.本文总结了几种常见的冰体有限元数值材料模型,如各向同性弹性失效材料模型、弹塑性材料模型、损伤材料模型以及可压碎泡沫型材料模型等;此外,选取了三种模型实验工况,开展了与实验场景相对应的不同冰材料模型下有限元数值模拟,对比分析了各自冰材料模型的特点以及应用局限;最后,总结了用于船-冰碰撞数值模拟的冰材料模型准确性和可行性评估方法,以便给今后所开发的冰材料数值模型提供验证手段.     

不同船艏类型破冰模式差异的数值预报分析

船艏形状是决定破冰船破冰性能的关键要素之一.为了探究不同船艏型线特征对破冰船破冰性能的影响,本文采用常规型近场动力学方法建立了平整冰层的无网格数值模型,提出了一种基于几何数学概念用于解决冰粒子与船体碰撞问题的接触检测算法,最后应用消息传递接口(MPI)并行技术搭建了破冰船破冰过程的数值预报方法,并在FORTRAN语言环境下编写了相关计算程序.基于该仿真程序,分别预报了传统型破冰船艏形状和非传统型破冰船艏形状连续冲破平整冰层的过程,并对传统型破冰船艏的计算结果与试验结果进行了比较,验证了本文所搭建的模型的准确性.对比了两种不同船艏破冰船的破冰模式和破冰载荷特征,分析了两种破冰船艏形状各自的优缺点.本文进行的研究对于破冰船的设计具有一定的工程参考价值.     

不同类型层冰载荷作用下船首结构响应研究

由于北极地区冰情复杂,分布着大量无规则浮冰,因此极地运输船在航行过程中难免会与冰区浮冰发生碰撞,引起船体结构响应。本文基于Ls-dyna软件构建船水冰全耦合模型,对极地运输船舶与规则层冰和不规则层冰发生碰撞分别开展数值模拟,对冰厚和航速2种不同工况条件下的船首结构损伤变形及碰撞力均值进行对比分析。研究发现,不规则层冰载荷下引起的船体结构响应更为剧烈,碰撞力均值更大,为北极冰区运输船的航行安全提供了参考。     

破冰船冲撞式破冰结构强度数值仿真方法研究

本文基于瞬态动力学分析法对破冰船冲撞式破冰过程进行有限元数值仿真研究。针对该方法中的船冰撞击分析、海冰浮力模拟等一些关键问题进行研究,根据上述方法对某破冰船冲撞式破冰过程进行数值模拟,并对应力计算结果进行校核。总之,本文建立的一套评价破冰船冲撞式破冰过程船体应力方法,对于中国老龄破冰船的强度评估具有重要意义。     

破冰船冲撞式破冰结构强度数值仿真方法研究

本文基于瞬态动力学分析法对破冰船冲撞式破冰过程进行有限元数值仿真研究.针对该方法中的船冰撞击分析、海冰浮力模拟等一些关键问题进行研究,根据上述方法对某破冰船冲撞式破冰过程进行数值模拟,并对应力计算结果进行校核.总之,本文建立的一套评价破冰船冲撞式破冰过程船体应力方法,对于中国老龄破冰船的强度评估具有重要意义.     

破冰船推进功率与破冰能力的匹配性分析

为探索一套简便快捷用于分析破冰船推进功率与破冰能力匹配性的方法,利用ABS规范对4艘不同等级的破冰船进行最小推进功率计算,并以此为依据开展破冰工况螺旋桨设计.最后考虑船形状、船体参数、螺旋桨推力以及冰的物理性能,基于ЦайЛ.Г半经验破冰厚度公式估算了 4艘破冰船的破冰厚度,对比估算的破冰厚度与实船破冰能力之间的偏差＜30％.研究表明,本文探索的推进功率与破冰能力匹配性分析方法实际可行,可为破冰船设计者提供一定参考.     

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。     

极地钻井船系泊冰阻力与运动响应数值模拟研究

论文建立了系泊状态下的极地钻井船与平整冰相互作用的二维数学模型,首先通过几何方法搜寻船体与冰体之间相互接触的所有区域来模拟平整冰在船体水线面处的破冰过程,再采用半经验的冰阻力计算公式模拟冰块的翻转和滑行过程。利用该数值模拟方法获得了Kulluk号极地钻井船的冰阻力、系泊力及运动响应的时间历程,并将数值模拟结果和钻井船冰区实测结果进行了对比。研究表明,数值模拟结果与实测结果总体而言吻合,论文的数值模拟方法能够较好地模拟系泊冰阻力随冰厚和冰速变化的规律,具有一定的工程应用价值。数值模拟与实船实测结果之间存在一定的差别,产生的主要原因是实测数据较少,数据统计时存在一定的不确定性。     

破冰船阻力性能估算

在预测船体冰阻力数值方法中,有许多不同的公式可以用来估算不同冰况下工作的船体冰阻力。其中模型试验仍将是最准确的预测,但其他的一些方法也可以给冰阻力的估算提供依据。对破冰船的破冰方式在破冰过程中所受的阻力进行分析,探讨其在不同冰况下的冰阻力成分,分析各种冰阻力计算公式,然后对1艘破冰船进行实际计算,最后分析各公式计算结果以及各种方法的优缺点及适用范围。     

水介质中船体板架模型与冰体碰撞试验研究

本文初步引入了对船冰碰撞过程中水介质存在作用的思考,来验证船-水-冰耦合碰撞数值仿真方法的合理性和可行性以及深入研究水介质中船体与冰体碰撞的结构响应问题。文中以某实船舷侧板架为研究对象,以缩尺比1:10加工模型,在水池中测得不同速度冰体撞击板架过程中板架结构各部位的应变值以及板架变形量;建立与模型试验相同的板架与冰体模型,进行数值仿真,将试验和仿真计算获得变形及应力峰值作对比,从而总结出不同撞击速度对船-水-冰耦合碰撞结果的影响规律。     

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。     

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。