基于船-水-冰耦合技术的撞击参数对船冰碰撞性能的影响

以极地运输船舶的首部作为研究对象,建立基于流固耦合算法的船-水-冰耦合技术对三维船首与冰体碰撞的结构响应问题进行研究,成功解决了船体、冰体与流场、船体与冰体之间的耦合,考虑了碰撞过程中船体与冰体的同步损伤,并结合非线性有限元软件Ls-dyna对比分析了冰体质量、船冰碰撞角度等撞击参数的结构响应问题,分析了不同碰撞工况下船舶撞击冰体后损伤变形、碰撞力等方面的变化特征,对分析船舶与冰体碰撞的结构性能具有参考价值。     

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.     

考虑船-冰-水耦合的寒地航行实体靶船载荷响应分析

为了研究寒地海域航行实体靶船与浮冰发生碰撞过程中的载荷响应,基于S-ALE流固耦合方法和罚函数接触理论构建船-冰-水耦合的数值模型,展开冰-水耦合、船-水耦合以及船-冰-水耦合机理的研究,详细分析碰撞过程中产生的水阻力与冰载荷。结果表明,S-ALE方法在处理船-冰-水相互作用时可以较好地模拟碰撞场景。船体受载主要由水阻力与冰载荷构成,冰载荷占据主要成分。水阻力受到航速的影响,且水域对冰载荷起到了削弱作用;冰载荷随浮冰厚度、尺寸的增加而增加,浮冰尺寸的影响程度高于冰厚。     

船-冰碰撞中考虑温度影响的冰体材料本构模型研究

近年来随着全球气候变暖加剧，海冰消融速度加快，北极航道的全面开通成为可能。北极地区环境恶劣，即使在夏季浮冰和冰山也广泛存在，对极地船舶结构安全性产生了严重的威胁，船-冰碰撞问题也越来越受到国内外学者的关注。但是，由于海冰材料复杂的物理和力学特性，目前对海冰以及冰载荷的研究仍然面临诸多困难，其中对其本构关系的合理准确描述一直是影响相关问题计算分析的关键因素。本文结合国内外海冰实验数据，考虑温度的影响，建立了基于多曲面屈服准则的海冰材料本构模型，通过二次开发编写材料本构子程序并嵌入有限元软件LS-DYNA材料模型中。以此为基础，建立典型工况船-冰碰撞场景，分析了船体结构与冰体结构的损伤变形特点。本文研究成果可为极地船舶的结构设计制造与安全性评估提供参考。     

基于SPH-FEM算法的浮冰-水-船耦合作用数值模拟方法

针对计算机模拟极地船舶在冰区航行过程中同时受浮冰与海水影响的非线性与随机性等特点,本文将光滑粒子流体动力学与有限单元法耦合算法应用于某LNG船在冰水池试验航行时与浮冰碰撞的动态过程仿真中。阐述其耦合算法的基本理论与实现方法,模拟船舶航行过程中遇到不同密集度的浮冰工况,分别监测船体所受冰阻力的数值,观察浮冰运动情况,分析LNG舶与各密集度浮冰碰撞时阻力随时间变化规律,与经验公式比较。结果表明,该耦合算法模拟的LNG船航行于各浮冰工况符合真实情况,结果具有较高精度,为后续极地船舶的冰载荷研究提供了有力依据。     

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...     

冰水池模型试验内容对比

针对国内外冰池的试验能力进行对比,并对冰区船冰水池模型试验中的阻力试验、自航试验和操纵性试验进行梳理总结,利用设计经验,对冰区船设计中需要进行的冰水池模型试验关键点进行分析,为相关冰区船设计的工程人员冰水池模型试验规划提供参考。     

船首-冰层碰撞下的船体结构变形及损伤模式演化

基于非线性有限元方法模拟船首-冰层碰撞动态过程，从船体结构吸能、应力场分布、结构变形和损伤演化等角度研究不同碰撞场景下的船-冰相互作用响应特征，总结得到碰撞角度、碰撞部位和冰层厚度等因素对船首结构吸能、结构变形和损伤模式演化的影响机理。研究结果表明：在船-冰碰撞过程中，船体外板先发生变形，随后靠前的纵骨面板和腹板倾覆、断裂；随着撞击的深入，肋板倾覆，外板剧烈弯曲甚至损伤，外板为主要的吸能构件，甲板纵骨和甲板纵桁吸能最少。     

冰水池发展现状及趋势

冰水池是一种服务于冰区船舶与海洋工程结构物设计、建造的模型试验水池。其通过模拟寒冷海域水面自然冻结状态,结合各种冰情环境实现试验室条件下的模型冰力学性质相似。在冰水池内,试验人员以一定模型试验相似率为基本准则,分析目标试验对象在冰区作业工况下的主要性能,并开展相关参数测量、数据分析的研究工作。本文基于对国内外主要冰水池及其试验技术的研究,从试验设施发展现状、试验关键技术及未来的发展趋势几个方面来展开分析。     

水介质对船冰碰撞结构响应的影响

以极地运输船舶艏部作为研究对象,建立基于流固耦合算法的船-水-冰耦合技术对三维船艏与冰体碰撞的结构响应问题进行了研究,结合非线性有限元软件LS-DYNA对比分析了考虑流固耦合(即有水介质)的船-水-冰碰撞模型和不考虑流固耦合(即无水介质)的船-冰碰撞模型与同质量不同速度的冰体发生碰撞下的结构响应问题,揭示了不同碰撞工况下船舶在损伤变形、碰撞力、速度等方面的变化特征及差异,同时阐述了水介质在船冰碰撞中的作用,可以为极地运输船舶的抗冲击结构设计提供参考。     

船舶抗冰碰撞舷侧结构加强方案及优化设计

本文介绍了船-冰碰撞数值仿真中涉及的关键技术,以船舶肩部舷侧区域与棱角冰发生碰撞作为计算工况,对所选船舶舷侧与冰体碰撞进行数值仿真,根据舷侧响应特征指出其进行结构加强的必要性。由此提出几种舷侧常规加强方案,通过分析各自与冰体接触区域船体外板上受到的平均应力以及碰撞过程中船体结构发生塑性破坏的程度,指出结构仍然存在的问题以及后续加强的方向。最后,设计了2种新型舷侧结构并对其进行优化,验证了其具有较优的抗冰碰撞性能,得到了抗冰碰撞舷侧结构设计的相关结论。     

船舶抗冰碰撞舷侧结构加强方案及优化设计

本文介绍了船-冰碰撞数值仿真中涉及的关键技术,以船舶肩部舷侧区域与棱角冰发生碰撞作为计算工况,对所选船舶舷侧与冰体碰撞进行数值仿真,根据舷侧响应特征指出其进行结构加强的必要性.由此提出几种舷侧常规加强方案,通过分析各自与冰体接触区域船体外板上受到的平均应力以及碰撞过程中船体结构发生塑性破坏的程度,指出结构仍然存在的问题以及后续加强的方向.最后,设计了2种新型舷侧结构并对其进行优化,验证了其具有较优的抗冰碰撞性能,得到了抗冰碰撞舷侧结构设计的相关结论.     

可调螺距螺旋桨舰船船-机-桨优化匹配

近年来,我国装备调距桨的舰船越来越多,但在调距桨的实际使用过程中还存在着船-机-桨难以全面实现优化匹配的情况,从而不能发挥调距桨的优势.基于船-机-桨的关系,结合调距桨的特点,提出了调距桨舰船任意负载下的最大允许航速以及减小油耗的计算方法,为该类舰船实现船-机-桨的优化匹配提供了参考.     

Structural design considerations for ships operating in arctic regions北大核心CSCD

冰脊和冰山与极地船体发生碰撞将影响船体结构安全,并决定船体结构设计载荷。船体结构设计应遵循基于风险的设计原则,通常涉及以下极限状态设计准则:1)服务极限状态(SLS);2)最终极限状态(ULS);3)疲劳极限状态(FLS);4)事故极限状态(ALS)。最终极限状态和事故极限状态对应于发生概率极低的船与冰脊作用以及冰山撞击事件,旨在确保船体结构不会完全损毁。然而,对于较低概率水平的冰载荷分析,需进行较大数据量的工况分析,计算耗时无法承受。为此,引入环境等值轮廓方法,来大幅减少冰载荷分析所需工况数量,并给出设计工况最有可能的冰体参数组合方式。结合最终极限状态和事故极限状态,举例说明这一方法的运用方式。环境等值轮廓方法可为现有极地船舶船体结构设计方法提供有效补充。     

船舶与冰排碰撞结构响应研究

冰排的层厚、流速以及特性在很大程度上影响船舶与冰排碰撞的结构响应。本文分别建立船舶和冰排的有限元模型,采用LS-DYNA进行碰撞接触计算,模拟船艏与冰排发生碰撞。主要考虑相同条件下分别改变冰排厚度、运动状态以及物理性质等单个碰撞参数,对比研究不同碰撞工况下船舶的损伤变形、碰撞力等结构响应差异。得出上述因素对船—冰碰撞的影响规律,为提高船舶抗冰载荷设计提供参考。     

海-冰-气无人冰站极地工作环境下的结构特性研究

本文提出一套海-冰-气无人冰站系统,其能对北冰洋浮冰区海洋-海冰-大气三界面进行长期连续观测,观测内容可为北极海冰快速变化机制的研究和冰区船舶航行保障提供重要支撑.介绍了海-冰-气无人冰站的系统设计和结构设计,分析了无人冰站海洋工况的稳定性,利用有限元分析软件ABAQUS对无人冰站的极区抗风能力进行了仿真与分析,研究了无人冰站结构的受力情况,为其结构设计提供了依据.设计并研发的三套无人冰站系统分别于2018年、2019年、2020年在北冰洋中央区被成功布放并取得了良好的观测效果,验证了无人冰站系统的适用性和可靠性.     

航道碎冰条件下极地船舶冰压力分布特性

[目的]为研究船舶与碎冰作用过程中船体冰压力的分布情况,对航道碎冰条件下的极地船舶进行数值模拟分析。[方法]采用离散元法（DEM）对船舶与碎冰进行建模,假设碎冰是由理想的二维圆盘构成,并考虑海流对碎冰单元的浮力、拖曳力及附加质量的影响;利用MT Uikku号冰水池模型试验结果对数值模型进行验证,对比分析不同航速和冰况对船体区域冰压力的影响。[结果]结果显示,当船舶在航道碎冰中运动时,冰载荷主要集中在船首;船首区域的冰压力随冰厚、航速和碎冰密集度的增加而增大,其中冰厚是影响冰压力幅值最大的因素;碎冰区航行船舶的首部区域冰压力影响最大,船首过渡区冰压力影响显著。[结论]所提数值分析方法可为极地船舶安全航行和结构设计提供一定的参考。     

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。