"雪龙2"号南极首航破冰试验

为在自然条件下实尺度测试"雪龙2"号的破冰能力,2019年11月"雪龙2"号在南极首航期间,中国在南极考察站——中山站附近普里兹湾固定冰区,首次自主开展了一系列专业破冰试验.通过选取破冰区域、实地测量冰雪厚度、钻采冰芯测量冰温度和盐度、切取完整冰坯并加工冰梁,完成了冰弯曲强度试验和艏艉双向破冰时的实船数据测量,首次获取了中山站附近固定冰的弯曲强度力学特性,成功验证了"雪龙2"号的破冰能力.本文详细介绍了"雪龙2"号现场破冰试验,并根据测量的海冰特性和船舶破冰航行数据对其艏向破冰能力进行了初步评估,摸索了一套在极地冰区开展破冰船破冰试验的方法,同时也对现场破冰试验中需要改进的方向提出了思考,可为我国新的破冰船建设提供参考.     

冰水池中海冰模拟技术现状与关键问题

冰水池模型试验对发展冰区船舶海洋工程和推进极地开发利用起到至关重要的支撑作用，其中完备的海冰模拟能力是进行冰区装备模型试验研究进而开展航行作业性能和安全性预报与评估的关键技术保障。本文总结了国内外冰水池海冰模拟技术现状，比较分析了两种类型制冰技术及其模型冰的物理力学特性，给出了冰水池海冰模拟能力发展趋势；同时，明确了冰水池中海冰模拟的关键问题，剖析了先进制冰技术研发面临的技术挑战，可为进一步开展相关基础研究、探索科学的模型冰制备方法提供引导。     

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。     

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。     

盐水柱状模型冰弯曲强度数值计算分析

[目的]冰区航行船舶在平整冰层中破冰航行时,弯曲破坏是主要的破坏形式之一,因而对弯曲强度进行研究具有重要的工程实践意义。[方法]首先,采用离散元方法(DEM),利用CSSRC冰水池冰力学试验获得计算参数;然后,应用矩形单元对冰层进行离散,引用元胞数组控制力的传递对柱状模型冰的弯曲强度进行数值计算研究,并利用盐水柱状模型冰弯曲强度试验数据对计算结果进行校核,以确保数值计算模型的可靠性。[结果]通过该数值模型计算得到了弯曲强度随速度、宽厚比、长厚比改变的变化规律,由计算结果的误差分析得到了冰样弯曲强度的基本范围。[结论]所提方法可为模型冰力学特性的预报提供参考。     

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。     

水动力对海冰-结构物相互作用影响的研究

海冰与极地船舶碰撞是影响船舶航行和作业安全的重要因素。由于碰撞发生在水面附近,水动力作用不可忽视,需考虑结构物-冰-水的耦合作用。论文进行了海冰与固定圆柱体之间水动力相互作用的试验,并改变海冰的速度、尺寸和形状这3个参数用CFD-FEM方法进行数值模拟,分析冰所受水动力与碰撞力峰值的差以及碰撞过程中冰附加质量的变化。研究结果表明：数值计算结果与试验数据吻合较好;在海冰-结构物碰撞过程中,水动力对冲击力辐值的影响随海冰速度的增大而增大,随海冰尺寸和截面多边形边数的增加而减小;在冲击力峰值附近区域,海冰附加质量呈先增大后减小的态势。     

极地船舶冰区航行性能的试验预报技术发展现状

对于极地船舶而言，其设计建造必须依据先验性的冰区航行安全性能认识，而目前国际上可以借鉴的实船航行经验极度匮乏，这就必须借助有效可靠的预报方法。当前海冰力学与工程学的发展仍处于机理性探索阶段，因此，在理论方法与数值模拟上尚难以形成对冰区航行性能进行可靠预报的方法。据此，国际学术界和工程界已形成共识，冰水池模型试验是当前预报与评估船舶冰区航行性能的唯一可靠途径。文中从阻力、快速性与操纵性3个方面，对极地船舶冰区航行性能的试验预报技术发展现状进行介绍，并对其中的关键技术进行梳理，以期为业界充分了解冰水池试验测试技术提供借鉴。     

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.     

我国海冰工程研究回顾

20世纪60年代末，我国在结冰的渤海海域发现了油气资源，进而促进了海冰问题的研究，相继开展了大规模海冰调查、海冰生消与运动、海冰物理力学行为、冰荷载、抗冰结构设计及海冰管理等方面的研究，并进行了全方位的国际合作与交流。我国的海冰研究成果不仅保障了渤海油气开发的建设与运行，而且对于目前在黄海和渤海冰区的风电场基础设施建设也提供了强有力的技术支持。文中将从冰区海洋资源开发的角度，回顾我国海冰研究历程。     

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。     

考虑冰、浪等复杂载荷工况的半潜式平台应力与运动响应特征

半潜平台在极地深水海域应用广泛,经常面对冰、浪等复杂载荷。本文从应力时程和运动时程两方面分析了半潜平台在波浪载荷,海冰载荷以及冰-浪联合载荷作用下的响应特征。结果表明,虽然海冰载荷的存在具有一定程度的抑波作用,平台的震荡得到缓解,但是冰-浪联合载荷会导致平台关键节点部位所受应力幅值大幅增加,并超过海冰和波浪单独作用产生的应力之和,对半潜平台的结构安全造成较大威胁。因此在研究、设计极地海域半潜平台时应同时考虑冰、浪对平台的影响。     

冰载荷作用下乙烯运输船结构强度评估

对乙烯运输船在北极航区航行时海冰对船体结构带来的影响进行研究,评估舱段结构强度.以某乙烯运输船为例,根据IACS于2007年出版的《极地冰级规范》(Polar Class)指定冰级,分析冰区船舶所受外载荷,设计加强所选液化气船货舱区结构;采用MSC.Patran/Nastran建立三维舱段模型,进行计算分析,评估货舱段船体结构强度,确保冰区航行船舶结构的安全可靠性.     

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。     

基于反向方法的船体冰载荷研究（英文）

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。     

基于原位悬臂梁试验的模型冰弹性模量研究

弹性模量作为模型冰的基本力学特性之一,在模型试验过程中影响冰层与结构的相互作用过程.另外,弹性模量与抗弯强度的比值是评估模型冰质量的重要指标.本文基于中国船舶科学研究中心的小型冰水池采用的原位悬臂梁试验对模型冰的弹性模量进行试验研究.试验时对冰梁外端部加载,利用接触式位移传感器记录冰梁五个不同位置的动态挠度,然后通过最小二乘法拟合冰梁的挠曲线以求得模型冰的弹性模量,拟合的同时考虑冰梁所受的浮力影响,进而对加载力进行修正.基于上述方法,研究加载速度和回温时间对模型冰弹性模量的影响,同时基于试验结果对弹性模量和弯曲强度之间的关系以及它们的比值进行了探讨.     

盐水柱状模型冰弯曲强度试验分析

冰区航行船在平整冰层中破冰航行时,弯曲破坏是主要的破坏形式,因而弯曲强度的研究具有重要的工程意义.本文依托室内冰水池的试验条件,结合原位悬臂梁方法对盐水柱状模型冰的弯曲强度进行了一系列试验研究,测量了模型冰的密度、温度、盐度等基础特性和不同试验条件下的弯曲强度,分析了加载速率对模型冰弯曲强度的影响,确定了冰样尺寸对模型冰弯曲强度的作用,讨论了回温时间、失效时间和弯曲强度之间的关系.本系列试验可为模型冰力学特性的相关研究提供参考.     

平整冰层中海工结构冰载荷研究方法综述

海工结构与平整冰层作用时,海冰的物理力学特性和冰层的失效模式会严重影响结构冰载荷的大小。首先,简要介绍海冰的物理力学特性,简述平整冰层与海工结构作用的物理过程;然后,从公式估算方法、试验测量方法和数值计算方法这3个方面对平整冰层中海工结构冰载荷的研究进展进行梳理。通过讨论公式估算方法的优缺点和适用性、试验测量方法研究的重难点以及数值计算方法的发展趋势,发现模型试验测量方法是有效的结构冰载荷研究手段。所做工作给出了海工结构冰载荷的研究趋势和面临的问题,可为领域学者的研究提供一定的参考。     

极地双向破冰船艉部线型适应性分析北大核心CSCD

[目的]为保证极地双向破冰船的破冰航行能力,需重点开展该类船舶的艉部线型设计。[方法]通过调研大量现役极地船舶和梳理现行规范,研究吊舱推进单元的冰载荷作用模式以及冰在船舶作用下的破坏过程,进而开展吊舱推进式极地船舶艉部线型的关键设计特征参数分析与适应性分析。[结果]研究结果表明,艉封板倾角将直接影响破冰时船体作用于海冰的水平分力和垂直分力,可适当增加该倾角以有效引导海冰的弯曲断裂;W型艉封板横剖线型可以调和流场优化与碎冰外排效率之间的矛盾;吊舱安装底座可以发挥一定的破冰作用,但将影响吊舱流场;艉鳍对船尾流场和碎冰外排也存在较大影响。[结论]研究成果可为吊舱推进式极地船舶艉部线型的适应性优化设计提供参考。     

极地海冰环境分析

随着新极地科考破冰船的设计建造以及人们对北极航道的关注不断升温,极地海冰环境分析与跟踪显得非常必要。文章对该类船舶营运区域的海冰环境、船级社冰级定义以及风险评论进行分析,指出其中的关键要素,可为极地船舶设计提供参考。