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。     

渤海导管架平台的破冰锥体设计

主要阐述了渤海辽东湾重冰区海域锦州21-1 BOP和锦州9-3E WHPA平台导管架破冰锥体的设计实践,并对渤海重冰区平台导管架破冰锥体的设计提出了建议.     

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.     

船艏冰刀对船冰碰撞时结构动力响应影响分析

为探讨极地冰区船舶通过加装船艏冰刀的方式能否改善船冰碰撞结构动力响应的问题,采用非线性有限元方法,从能量转换、应力、应变云图、碰撞力和船速随时间变化关系等多个角度,比较有、无艏部冰刀两种情况下,船舶艏部与排冰发生碰撞时的动力响应规律。结果表明,加装艏部冰刀可减小船体自身的损伤和变形,改善船舶破冰性能。     

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。     

考虑流场影响下破冰船艏部结构响应研究

通常考虑船-冰碰撞附连水的水动力效应有附加质量法和流固耦合法。本文建立了破冰船破冰场景,基于流固耦合法进行了数值仿真计算,分析了水域流场对船体的冲击压力变化、流场的速度分布变化以及流场的动能变化。同时与附加质量法的计算结果进行了比较,对比分析了船艏的碰撞力大小、损伤变形以及局部冰载荷等差异,揭示了流场对船-冰碰撞的影响规律,对于破冰船结构设计具有重要的参考价值。     

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。     

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。     

极地某构型船首与浮冰碰撞的数值模拟研究

近年来,随着北极海冰的覆盖面积和厚度不断减小,极地航行装备越来越受到关注。北极航区相较于传统航区,海冰与船舶进行更频繁的相互作用,是造成船体结构疲劳损伤的主要原因之一。因此模拟海冰与船碰撞的动态过程,并对影响因素进行分析,对于预报在极区航行的船舶结构动力响应有着重要作用。文章提出了可应用于商业软件LS-DYNA的模拟冰材料参数,并根据ISO的P-A曲线验证了其可行性,构建了船首模型;在船首航行方向速度分别为5 kn、6 kn和7 kn,浮冰尺寸为10 m×10 m×0.6 m的工况下,模拟船首与浮冰碰撞的过程并进行参数影响分析。     

冰区航行船层冰作用下的结构响应

船冰碰撞是一个复杂的动力学过程,如何得到碰撞中的冰载荷一直是船舶碰撞研究领域的热点之一.本文分别建立300000 t冰区航行船和层冰的有限元模型,基于弹塑性理论及非线性有限元理论,利用MSC.Dytran对其碰撞进行数值仿真,模拟了船首及层冰的接触碰撞过程,最终得到船冰碰撞过程中的碰撞力、船首结构响应、船航速变化及能量耗散等参数.分析船冰碰撞过程中的碰撞机理及特性,并对冰区航行船特别是其船壳提出结构加强的建议,为设计冰区航行船提供一定的参考.     

船冰碰撞载荷下船舶结构加强方案研究

为了探究水介质对船—冰碰撞结构响应的影响,文章首次对考虑水介质中的船—冰碰撞问题进行了研究。模拟了船舶与冰体在水介质中的碰撞场景,研究船—水—冰三者共同耦合作用对船—冰碰撞的影响。将该计算方法应用于船—冰碰撞的多种工况计算,对比分析了增加外板厚度、横隔板厚度以及肋骨间距等多种加强方案对船体结构响应的差异。揭示了碰撞区域的损伤变形、碰撞力、结构吸能随外板厚度、横隔板厚度和肋骨间距的变化而变化的规律,分析了船舶肩部各主要构件对于抵抗冰载荷作用的能力及贡献。所得结论对于进行冰区船舶结构设计具有参考作用。     

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。     

冰与钢-泡沫夹层结构冲击特性研究

通过对冰与钢-泡沫夹层结构的冲击特性进行有限元仿真建模计算,得出其相关碰撞特性;同时计算得到的接触部位的压强和面积关系与ALIE所规定的压强-面积曲线作比较,确定材料模块选取的合理性。进而为系统研究冰与夹层结构以及船冰碰撞之间的耐撞性提供一定参考意见。     

极地船舶冰带区域关键节点研究

随着极地探索的不断发展,针对冰区航线的船体结构设计不再局限于传统的经验公式方法,人们更加关注作用于结构上的实际冰载荷及结构响应,研究冰载荷作用下的结构响应计算成为极地船舶结构设计中的关键部分。

首先,通过有限元方法对某极地航行船舶遭遇的碎冰、浮冰、层冰等冰载荷工况进行数值仿真,考虑材料应变率影响,计算冰载荷作用下的结构动态响应;然后,以结构响应等效为基准,进行动态响应的静态转换,并提出动静转化系数的概念;最后,给出不同冰载荷工况下动静转化系数的取值范围。

结果表明,船首结构在不同工况下动载荷响应的静载荷等效转换计算的转换系数为1.0～1.4之间。

船首结构冰致动力响应的准静态等效方法是合理可行的。

     

Numerical simulation of level ice impact on landing craft bow considering the transverse isotropy of Baltic Sea ice based on XFEM

Ice bending is a major failure mechanism of level ice when ships and marine structures interact with level ice. This paper aims to investigate the ice bending and ice load when level ice collides on ships and marine structures using numerical simulation method, and compare the numerical results with field test. The fracture of ice is simulated with extended finite element method (XFEM), and cohesive zone concept is used to describe the crack propagation. In order to consider the characteristics of S2 columnar ice, a transversely isotropic elastic material model is used for the ice bulk elements, and a transversely isotropic Tsai-Wu failure criterion is adopted to predict the initiation of cracks. A well-controlled field test of a landing craft bow colliding with level ice in Baltic Sea is simulated to verify the numerical scheme. The ice plate's continuous deformation, crack initiation and crack propagation at different impact velocities and angles are simulated and the results are discussed. In the simulation, the bending crack emerges at the midline of the top surface of ice plate, then propagates towards free boundary, and finally a circumferential crack forms. It is found that with the impact velocity increases, the bending load increases and the fracture size (perpendicular distance from the crack to the contact edge) decreases. And as the angle between the landing craft bow and vertical direction increases, the bending load and the fracture size decrease. The simulated results corresponds well with the field test. The competition between the circumferential crack and radial crack is also found in the simulation and will be discussed in this paper. The results show that this method well simulates the bending of level ice and predict the ice load, and provides a good approach for investigating the mechanism of different forms of level ice fracture.     

Dilated-polyhedron-based DEM analysis of the ice resistance on ship hulls in escort operations in level ice

The ice resistance on ships in escort operations in level ice are investigated using the discrete element method (DEM). A dilated polyhedron—generated by the Minkowski sum of a sphere and a polyhedron—is employed in the DEM; this dilated polyhedron-based DEM (DPDEM) is adopted to simulate the ship–ice interaction, wherein the contact force and bond-failure criterion are considered for the collision and fracture of sea ice, respectively. A three-point bending test was simulated with DPDEM, and a field test was conducted in the Bohai Sea to validate the DEM results. Further, a parametric analysis of flexural strength was conducted to identify the parameters involved in the bond-failure criterion. The ice resistance on icebreakers and cargo ships in level ice are simulated using DPDEM. The simulated ice resistances are compared with the Lindqvist and Riska formulas and the model test, which proves the validity of the DEM simulation. The interaction between ships and level ice is simulated parametrically to investigate the ice resistance on cargo ships with and without the icebreaker escort. Influencing factors such as ship speed, ice thickness, and ship breadth were examined to investigate the ice resistance on the escorted cargo ship. Analysis and change rules of the ice resistance on cargos affected by those factors were given.     

冰激自升式钻井平台的动力响应分析

由于冰荷载研究的限制,冰区自升式钻井平台尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。为了合理地开展自升式平台结构的抗冰概念设计与安全评价研究,冰荷载下自升式钻井平台的动力响应分析是十分必要的。该文首先分析该类柔性结构在动冰荷载下的动力特性;其次,结合开展的自升式平台冰荷载模型实验研究,明确带齿条桩腿的自升式平台冰荷载作用形式;最后,对渤海某自升式钻井平台在典型冰况下进行冰振动力响应分析。文中的研究对冰区自升式钻井平台抗冰设计及冰振安全评估提供了合理的参考。