冰区航行船舶冰阻力数值研究进展

冰阻力是影响船舶在冰区航行性能的关键因素。当前主要的冰阻力研究方法有经验公式法、模型/实船试验法和数值模拟方法。数值模拟方式能够对船舶破冰的全过程进行快速模拟，且模拟成本低，参数易于控制 、结果较为准确，是一种比较适宜的冰阻力预报方法。随着计算技术的进步，各种数值模拟方法层出不穷，其中包括基于网格单元的有限元模型，基于无网格方法的离散元模型、SPH法、近场动力学模型等；近年来，网格模型与无网格模型的耦合方法也逐渐发展起来。文章简要梳理了冰区航行船舶冰阻力数值研究的进展，并基于研究现状提出尚需进一步解决的问题，意在为进一步提高冰阻力数值模拟精度提供参考。     

基于Fluent的船体界面阻力分析

基于Fluent对船体界面阻力进行仿真分析,采用VOF的方法模拟船体在空气和水两相中的运动情况,获得不同航速下船体摩擦阻力和压差阻力的关系。考虑方型系数对于船体阻力的影响,建立多个方型系数不同的模型来实现Fluent仿真模拟,获得一定傅汝德数下船体方形系数与船体阻力的关系,得到船舶阻力相对优化的船型。该方法通过更加精确的建模可为船体型线减阻提供更多的依据。     

冰区海域船舶运动数学模型研究

为研究船舶在冰区海域的航行能力,首先建立冰块拖拽力模型,并与CFD算法进行耦合计算。计算结果表明,船舶航行速度越大,则冰块对其的拖拽力越大,二者线性相关。船舶在航行过程中可选用较小的航行速度,一方面冰块拖拽阻力较小;另一方面,采用较小的速度可提高船舶航行平稳性,安全性有所保障。     

疏浚饱和密实粉土剪胀特性及其对耙齿切削阻力的影响

针对黄骅港区饱和密实粉土,通过三轴剪切试验以及原型耙齿切削试验,研究饱和密实粉土剪胀特性及其对耙齿切削阻力的影响。三轴试验结果表明,黄骅地区饱和密实粉土在剪切过程中表现为应变软化性状,偏应力峰值与围压之间基本呈线性关系。在剪切过程中,土体先剪缩后剪胀,随着围压的增大,剪缩性状体现得越来越明显,应力应变性状可划分为4个不同阶段。原型耙齿切削试验结果表明,饱和土较非饱和土切削阻力增长得更快;饱和土切削阻力最大值为非饱和土切削阻力最大值的2.7~3.3倍;对于饱和土,切削阻力达到稳定值后,其波动幅度较非饱和土要大。上述试验结果均表明,土的剪胀性对于耙齿切削阻力的影响十分显著,须采取相应的措施来降低土的剪胀性对于耙齿切削阻力的影响。     

数据包络分析下船舶物流运输路径规划方法研究

为了降低船舶物流运输拥堵,设计基于数据包络分析思想,提出新型船舶物流运输路径规划方法。根据现有的航路节点路径信息,模拟船舶层面模型,明确当前路径冲突分流节点,引入数据包络分析中的交叉效率评价思想,以节点作为投入数据,添加"阻力费用"建立效率评价目标函数消除冲突点,将其作为输入变量,建立可通行性惩罚函数,将冲突节点并入到原点集中,即可获取最佳规划路径。通过仿真实验数据可以确定,应用设计规划物流路径后,船舶物流交通冲突率降低了43%,平均无阻路段长度提升了47%,可以有效避免物流配送拥堵。     

水下航行体拖缆盘绕器阻力特性分析及优化设计

水下航行体拖带电缆后,在航行过程中,为了提高外挂拖缆安装可靠性,减小拖缆盘绕器对航行体自身的航行姿态影响,须对拖缆盘绕器进行减阻设计。针对该减阻要求,在盘绕器圆形截面基础上,以迎流阻力最小为目标对其截面线型进行优化。通过采用CFX软件,对盘绕器航行过程中的阻力进行有限元仿真,计算出前后对称水滴型截面的盘绕器相对于圆形截面盘绕器减阻最大可达36.5%,减阻效果明显。试验结果也表明,前后对称水滴型截面盘绕器锁定可靠,解锁顺畅,从而验证了仿真结果。     

管桩桩身总侧阻力分配函数的研究

为研究管桩的承载性状,基于管桩的现场试桩资料,对管桩桩身的总侧阻力分配函数进行研究,建立了管桩桩身总侧阻力分配函数的方程式,并对函数中各参数的取值进行了说明。研究发现,对各桩长及对各长径比的管桩,桩身总侧阻力占比-桩顶沉降曲线大部分呈现程度不等的线性关系,且这种线性关系与桩顶荷载、桩身总侧阻力是否达到了极限状态无关;基于该侧阻力分配函数计算了3根桩的桩身总侧阻力,并将计算值与实测值进行了对比,发现误差绝对值在15%以内。对只有桩顶荷载、桩顶沉降的桩,可以通过该方法建立桩身总侧阻力分配函数,从而获得桩身总侧阻力和端阻力,进而可分析管桩的承载性状。但因桩身侧阻力分配问题的复杂性,研究还是初步的,有待积累更多的现场实测资料,从而完善和深化该分配函数。     

不同参数下船舶运输前缘阻力的数值模拟研究

为了提高船舶运输的动力性能,进行船舶运输运动力学分析,构建不同参数环境下船舶运输前缘阻力的数值模型,采用阻尼力载荷评估方法进行船舶运输前缘阻力数值分析研究,提出一种基于延性力学评价的船舶运输前缘阻力仿真模型,构造船舶运输前缘阻尼的约束参量模型,采用刚度强化约束机制进行运动力学建模,结合自适应解耦构件力学评估方法,实现不同参数下船舶运输前缘阻力的数值量化评估和自回归分析,提高力学参量估计的准确性。仿真结果表明,采用该模型进行船舶运输前缘阻力参数评估的准确性较高,实现对不同参数下船舶运输的运动力学优化建模,以此指导船舶流体力学设计。