海上风机平台冰载荷间接监测方法与仿真验证

海洋平台中冰载荷监测的载荷识别算法是对冰区平台安全生产评估的重要部分，随着海上风电系统的快速发展，尤其是近年来我国渤海地区建立了大量的海上风电平台，海冰载荷已经成为影响生产安全的重要因素。由于冰载荷的直接测量难度大，现有传感器难以满足冰载荷监测要求，甚至有些冰载荷无法直接测量，因此可采用间接监测方法对结构冰载荷展开监测，即通过数值方法标定载荷与响应的映射关系，将这种映射关系表示为传递矩阵，通过矩阵求逆的方式确定结构冰载荷。基于离散元方法建立海冰数值模型算例，验证了基于广义力法的间接监测算法在冰区风电平台冰载荷识别方面的可靠性及合理性。     

极地半潜式海洋平台在不同环境载荷下的动态响应分析

北极地区拥有丰富的油气资源,在该海域进行油气资源的开发和利用具有巨大的发展前景,但也极具挑战性。当前海洋平台的设计规范并未充分考虑海冰的影响。北极海域存在无冰期和有冰期,为了实现平台全年在海上进行作业,需要联合考虑波浪载荷和冰载荷的作用。本文研究某半潜式海洋平台在波浪、平整冰以及碎冰不同工况下的动态响应,采用势流理论和莫里森方程计算波浪载荷,利用离散元方法求解冰载荷,使用细长体有限元的方法分析锚泊系统,通过非线性时域计算求解得出平台的运动以及锚泊系统受力。结果显示：相较于其他环境载荷,平整冰作用下锚链的张力最大;在较小的海冰厚度、海冰密集度和冰块平均面积下的碎冰区,平台的运动符合现行安全规范。本文的研究可为北极地区油气资源的安全开发提供参考价值。     

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。     

风电平台冰载荷数值分析

冰载荷是海洋工程中重要环境载荷之一，给冰区风电平台的安全带来严重威胁。传统有限元方法难以准确预测风电平台冰载荷，因此结合渤海地区海冰数据，通过仿真标定的方式确定数值分析参数。采用离散元与内聚力单元法对风电平台冰载荷进行分析，并进一步通过与有限元进行耦合，得出风电平台的高应力点与大变形位置。两种数值分析方法可为风电平台冰载荷分析与抗冰设计提供参考。     

冰载荷空间分布对舷侧结构响应的影响

极区船舶与浮冰发生碰撞时,冰载荷压力并不均匀,主要分布于结构与浮冰接触的中心区域,这与冰区加强区域结构设计和强度校核采用均布压力作为设计载荷并不一致.参考真实压力分布,以实测压力分布形式离散模拟冰载荷,形成考虑空间分布的冰载荷加载方法.建立舷侧结构有限元模型,分别以均布和考虑空间分布的离散方式将基于能量法计算所得冰载荷作用于舷侧,同时考虑不同浮冰形状和作用位置对空间分布的影响.结果 表明,冰载荷的空间分布对结构响应结果的影响较大,其中浮冰形状为楔形,且作用位置为板格中心的加载工况最为显著.研究过程与结论可为极区船舶设计考虑船冰相互作用时的冰载荷加载方式提供参考.     

基于反向方法的船体冰载荷研究

船舶碰撞海冰引起的冰载荷分布是十分复杂的。文章选取Thikhonov正则化这一反向方法,根据极地科考补给船S.A Agulhas II号于2013-2014年间南极航行时实测的数据,分析得到了船体艉肩部的冰载荷。通过应用三种独立的冰载荷离散方式来模拟海冰的自然特性,在有限元中得到模型的影响矩阵,并应用Matlab对Thikhonov正则化方程进行了优化。研究结果表明,反向方法可以克服数据处理过程中的不适定性,并计算得到船体冰载荷。     

不同海冰失效模式下极地船舶冰载荷计算分析

基于700TEU极地PC5级多用途集装箱船,应用冰载荷解析算法,分别计算分析2种主要的海冰失效模式下,航速、冰厚对船体首部区域冰载荷影响,拟合得出它们之间的量化关系曲线。结果表明:不同的海冰失效模式下,航速、冰厚与船体首部区域冰载荷的量化关系有显著区别;2种主要的海冰失效模式将随层冰厚度、航速变化而发生转变。     

基于MD Nastran的船-冰碰撞数值仿真研究

船舶与海冰的碰撞过程十分复杂,涉及多种非线性问题。文章运用 MD Nastran对船舶艏部与冰的碰撞进行数值仿真计算,来模拟这一过程。得到了碰撞结束后,船首和海冰的损伤变形情况,船体结构的应力应变情况,以及在船—冰相互作用过程中的能量变化,应力应变变化。研究结果描述了船舶与冰碰撞的详细过程,揭示了冰载荷作用下船体结构的响应规律,可为船舶抗冰载荷设计提供参考。     

冰区航行中船体结构冰压力分布特性的离散元分析

冰区船舶表面冰压力分布规律是其结构安全预警和冰载荷监测的重要辅助信息.本文采用基于GPU(Graphics Processing Unit)并行和粘结-破碎模型的离散元方法模拟平整冰在不同冰况条件下的破碎过程,进而获得船体结构表面的冰压力分布和大小.在冰压力的计算中,考虑时间上的累积效应,即累积最大值和累积平均值,从多个角度分析了船体结构表面的冰压力危险区域和冰压力分布特性.通过船体结构直行破冰的离散元模拟,分析了船体结构的总体冰载荷和局部冰压力.为验证本文方法在船体结构冰压力分析中的可靠性,根据冰载荷的IACS规范计算了船体结构与大块浮冰自由碰撞过程,对比分析了碰撞点上的冰压力.计算结果表明,离散元计算结果与规范对比误差保持在6.7％～18.1％之间.本文方法为冰区船舶的设计研发提供了可靠的分析手段,其计算结果可为船体结构的冰区航行安全预警和冰载荷监测提供合理的辅助决策信息.     

船体冰载荷的反演确定法（英文）

由于船体结构受到的外部载荷及载荷承受能力决定了船体结构的损伤程度，因此船舶在冰区海域航行的安全性与其受到的冰载荷直接相关。本文根据极地科考补给船S.A. Agulhas II的原型测量数据，给出了两种艉肩部冰载荷的反演确定方法：一种为根据试验建立的影响系数矩阵法来确定肋骨处受到的冰载荷，另一种为利用Tikhonov正则化建立的三种离散方式来确定外板区域受到的冰载荷。计算结果表明，这两种方法均能克服数据处理过程中的病态性并得到船体结构的冰载荷。     

冰区海上风机结构的冰激疲劳寿命分析

冰载荷是诱发冰区海上风机结构疲劳破坏的重要因素,通常采用加装抗冰锥体的方式将海冰的挤压破坏转化为弯曲破坏,从而减小峰值载荷并削弱冰激振动。针对锥体风机结构在冰载荷作用下的疲劳寿命开展分析。基于渤海辽东湾某海域的现场监测数据确定了有效冰期、冰厚、冰速等疲劳分析参数,在冰速0～100 cm/s、冰厚0～30 cm范围内均匀划分50种疲劳工况,并将二者的联合概率分布作为疲劳工况的发生概率;采用具有粘结-破碎功能的球体离散单元构造海冰模型,计算风机与平整冰相互作用时的冰载荷时程及对应的热点应力;采用雨流计数法提取热点应力时程中的有效循环次数,根据S-N曲线和Miner线性累积损伤准则进一步计算其冰激疲劳寿命;最后将计算结果与通过锥体结构随机冰力函数构造冰载荷时程而得到的疲劳寿命相比较,验证了基于海冰离散单元模型的冰载荷时程构造方法的安全性与可靠性。     

极地碎冰航道内的近水面潜艇冰载荷特性研究

极地海冰可以为潜艇提供良好庇护,为执行紧急作战任务或处理突发险情,潜艇需要突破层冰覆盖紧急上浮。当层冰厚度较大时,潜艇可借由破冰船开辟的碎冰航道实现上浮作业,但航道内漂流的碎冰可能对上浮后的潜艇构成威胁。论文参考HSVA冰槽试验以及北极海冰统计特征建立了碎冰数值模型,基于CFD-DEM耦合方法,采用STAR-CCM+软件,对碎冰航道内上浮潜艇所承受的冰载荷特性进行了研究,数值模拟结果表明：（1）潜艇在碎冰航道中所承受的冰载荷主要包括碎冰对水面处艇身前端区域的碰撞和侧面区域的摩擦,而碰撞的间断性和摩擦的连续性使得潜艇所受碎冰载荷的变化是一个重复“加载-卸载”的过程;（2）在碎冰航道中水流作用下产生的潜艇兴波使得碰撞区域前的碎冰逐渐远离潜艇,从而使得在模拟后期这部分碎冰产生的碰撞载荷渐渐减小直至消失;（3）出水面高度对潜艇所承受的冰载荷影响较大,在出水面高度λ=0～3H/2范围内（H为潜艇围壳高度）,潜艇所受冰载荷与潜艇的出水面高度成正比,且载荷数据的离散度随高度增加而变大;（4）λ=H工况下的潜艇由于其背部上方碎冰群的变化,其所受冰载荷峰值的震荡幅度在模拟的前后期差异较大,且在模拟初期冰...     

冰区船舶碎冰载荷模拟及影响参数分析

本文采用二维离散元法模拟碎冰与船舶的相互作用.运用海冰粘弹性的Kelvin模型,结合船舶与碎冰的耦合运动,通过Newmark法求解三自由度船舶运动方程,计算船舶航行于碎冰区的碎冰载荷.与相关文献进行对比,验证本文数值模型的可行性.研究海冰不同的弹簧系数、粘性阻尼系数与摩擦系数对碎冰载荷的影响.结果表明:二维离散元数值模...     

冰冲击载荷下螺旋桨轴系动态响应的变参数分析

螺旋桨和不同物理参数的海冰接触碰撞产生的冰载荷会对螺旋桨和推进轴系产生不同的影响,研究其对轴系的影响及轴系的响应规律可为推进轴系的设计和布置提供建议。该文基于流固耦合方法,利用ANSYS/LS-DYNA软件计算不同物理参数的海冰和螺旋桨接触碰撞时螺旋桨受到的冰载荷并分析其冰载荷的变化规律,把获取的冰载荷输入到ABQUAS,计算了对应的冰载荷下的船舶推进轴系的应力、应变值,分析了推进轴系的应力、应变值,得到推进轴系的响应规律;得出推进轴系的动态响应受冰载荷的影响较大,随着海冰径向距离的减小而增大,随海冰尺寸和速度的增大而增大,故对冰区船舶的推进装置而言,其强度有着更高的要求。     

极地船冰载荷简化计算方法研究

在极地船破冰过程中,船体--海冰之间将产生十分复杂的动力学行为。本文利用有限元数值仿真软件LS-DYNA模拟一艘极地船连续破冰过程,提出了考虑冰水耦合作用的冰载荷数值计算方法,研究了考虑海冰与海水的耦合作用对作用于船体的冰载荷量值的影响。将本文提出的数值计算方法结果与冰池模型试验数据进行了对比分析,对数值算法的合理性与准确性进行了验证。在此基础上,提出冰载荷准静态分析方法,将有限元直接计算结果与规范设计载荷对比分析,引入动力缩放系数,并将其应用到冲撞式破冰能力计算的冰载荷简化模拟方法。     

破冰船首部与侧部接触加载工况下海冰弯曲破碎过程

在破冰船对海冰接触加载过程中，海冰会发生以径向和环向开裂为表现形式的弯曲破碎过程。海冰首先径向开裂再环向开裂的弯曲破碎过程与海冰首先环向开裂的弯曲破碎过程将导致不同的冰载荷，因此，明确不同接触加载工况下的海冰弯曲破碎过程是理论计算冰载荷的前提条件。文章针对破冰船首部与海冰直线边界接触加载、破冰船首部与海冰凹进边界接触加载，以及船侧部与海冰直线边界接触加载这3类工况，采用弹性地基薄板理论，对控制方程进行归一化处理，并通过有限元法求解归一化控制方程，分析不同工况参数下的海冰弯曲破碎过程，得到上述3类工况下的海冰弯曲破碎过程判断依据。分析结果表明：当船体与海冰接触区域尺寸较大且冰厚较小易发生先环向开裂的弯曲破碎过程，反之则易发生先径向开裂再环向开裂的弯曲破碎过程。     

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。     

基于VUMAT的海洋结构物撞冰行为数值仿真

对海洋结构物撞冰行为和冰载荷特性进行研究.基于ABAQUS通用有限元软件平台开发理想弹塑性冰材料VUMAT用户子程序;根据Tsai-Wu屈服准则和经验失效准则,采用完全隐式向后欧拉回映算法实现冰材料应力和应变的更新,并通过单个单元的压缩和拉伸试验验证该子程序的可行性.采用已开发的冰材料VUMAT子程序模拟刚性直立圆柱结构以不同速度撞击平整冰排,研究海冰的损伤过程,并分析碰撞速度对结构物承受冰载荷的影响.模拟刚性勺型破冰艏冲撞式破冰场景,并研究冰层厚度对冰载荷的影响.     

基于离散元模型的冰阻力数值研究

为了研究船舶冰阻力的预报方法,采用离散元模型对冰区航行船舶在平整冰中航行的冰阻力进行数值计算。船体结构由三角形网格离散,同时利用具有粘结-破碎特性的球体单元、三维拓展圆盘和拓展多面体单元构造海冰的离散元模型,并考虑拖曳力和浮力对海冰的影响。本文基于离散元方法,计算船模受到的总的冰阻力,研究海冰厚度、弯曲强度和航行速度对冰阻力的影响,并与Lindqvist经验模型计算的冰阻力进行了分析比较。研究结果可为冰区航行船舶冰阻力预报以及初步设计优化提供参考。     

考虑海冰漂移的船舶冰载荷分布模型试验

本文针对一艘航行于北极海域的破冰船进行了一系列冰水池模型试验,试验中通过旋转船模的方式,实现了对海冰漂移速度与船舶航行速度的同时模拟.试验中重点观察了不同工况下船舶首、中、尾区域冰排的破坏模式,通过对触觉式传感器测得船体不同区域的冰载荷进行详细分析,研究了海冰漂移及航速变化对冰载荷分布的影响.