基于流固耦合方法的极地船型破冰性能研究

破冰性能是极地船舶总体性能的重要组成部分,开展极地船舶破冰性能理论研究对极地船舶的船型开发具有重大意义。论文选用带有塑性应变失效准则的弹性断裂失效材料模型模拟平整冰层,采用LS-Dyna流固耦合方法模拟极地船舶在极地无限冰区中连续破冰航行的场景,分析3种不同船型船舶的破冰性能差异。研究结果表明,在平整冰区连续破冰航行过程中,极地船舶所受冰载荷具有高度非线性震荡特征,船首与冰层直接作用区域的应力呈环状分布。直立型首和球鼻型首极地船型主要使冰层发生挤压破坏,而破冰型首极地船型能够有效引导冰层发生下压弯曲破坏,并最大程度地限制冰层的挤压破坏,其破冰性能优于其余两船型。     

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。     

冰区船艏部连续破冰模式下破冰阻力数值计算研究

随着计算机技术的发展,数值计算方法已经成为研究冰区船航行性能的有效工具。本文在依托中国船舶科学研究中心小型冰水池（CSSRC SIMB）对破冰船艏部破冰阻力及破冰模式试验研究的基础上,采用离散元基本原理,建立离散元数值计算模型Bri-DEM,对连续破冰模式下船艏模型的破冰阻力进行数值计算,分析冰层破坏模式,并利用冰水池模型试验数据和经验公式对其进行校核,最后利用该计算模型对冰厚和船艏倾角的影响进行预报。研究成果可为冰区船舶冰阻力预报、航行性能评估和船型设计优化等提供有益的技术参考。     

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。     

极地科考破冰船冰阻力与静水阻力协同优化设计

极地科考破冰船作为一种需进行破冰作业和远距离大洋航行的特殊船型,在设计上需同时考虑静水阻力和冰阻力的影响。采用CAESES软件搭建优化设计平台,通过自由曲面变形方式对影响冰阻力明显的船首区域进行型线变换,采用势流方法和经验公式分别求解船舶受到的静水阻力和冰阻力。将这2种阻力的加权和作为目标函数,结合NSGA-II算法对阻力最佳的船体线型进行搜索,实现对船型的快速优化。研究结果表明,采用该优化方案能使船体冰阻力下降5%,而静水阻力几乎没有变化,新船型满足所需的阻力优化要求。     

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。     

某型极地破冰船的艏部线型优化

极地破冰船首部线型的优化设计,既需要考虑在冰区作业时的破冰能力,又要兼顾其在敞水域中的航行性能.该文基于不同的冰阻力预报经验公式,对冰阻力和破冰船首部特征参数进行敏感性分析,提出破冰性能较佳的首部特征参数取值范围,并兼顾敞水域阻力性能进行首部线型优化.经过敞水域中的模型阻力试验验证和冰区中的阻力数值模拟验证,优化方案在敞水域中设计航速附近的阻力增加约2％,但在不同层冰厚度下、破冰航速时的冰阻力下降7％～12％.     

减摇复合船型首部构型设计与水池模型试验研究

船舶在波浪中航行时的纵向运动性能是衡量船舶综合航行性能的重要指标.为了改善船舶在波浪中的纵向运动性能,本文基于首部减摇组合附体技术对某型船首部构型进行改造并通过水池模型试验对其静水阻力和耐波性进行了分析研究.在分析该船作业及航区特点的基础上,通过船首部线型改造及减纵摇组合附体构型优化,给出适用于该船的首部构型方案.应用CFD软件和修正切片法进行水动力性能分析,并对船首构型方案进行优选.将优选出的性能较优复合船型方案和原船型开展水池模型静水阻力与耐波性对比试验分析,验证减摇复合船型的静水阻力性能与耐波性能.试验结果表明,改造后的复合船型减纵摇效果明显,对应实船四级海况18节航速下纵摇与首部加速度有义值较原船型降低15%以上;复合船型静水阻力有所增加,实船18节航速下静水阻力增加13.5%.     

冰区船首部连续破冰模式下破冰阻力模型试验研究

在众多冰区航行船舶冰阻力预报的方法中,冰水池模型试验是最为准确和可靠的一种方法.论文依托中国船舶科学研究中心小型冰水池,设计了一条破冰船船首模型,开展了不同航速下的层冰试验和预切割冰试验,研究冰阻力与速度的相关性.通过船首模型总冰阻力和不同部位冰阻力的精细测量,提取冰阻力的不同成分,分析总冰阻力与各分量之间的关系.利用...     

隐形球首在豪华邮轮上的应用研究

在邮轮行业的快速发展中,近年来逐渐出现了一种新型的附带隐形球首的垂直船首。为了研究隐形球首出现的原因,本文分别建立了带有常规球首和隐形球首的船型,使用STAR-CCM+对常规球首和隐形球首的船型进行水动力计算。在此基础上,绘制了2种船型的航速-阻力曲线图,分析了2种船型的快速性。研究表明,本文建立的隐形球首船型兴波阻力更小,整体快速性表现良好,且该船型仍有一定的设计和优化空间。     

破冰船性能预报

本文介绍了温度，冰的强度，冰的含盐量，冰雪厚度，船体润滑方式及船体线型对破冰阻力及加转性能的影响。冰阻力随助骨外倾角和纵剖线角的增加而增加。带有绞刀型船在冰中回转能力主要取决于绞刀宽度与平行舯体长度之比，回转直径随着该比值的增加而减少，要获得较好回转性能可采用玩一冼舯体的船型或采用有行的平行舯体及大的绞刀的船型。     

考虑弹性形变的气垫船低速破冰仿真分析

论文重点探讨了气垫船在低速模式下的破冰机理与受力形式。采用理想化破冰假设，考虑气垫围裙的弹性形变，基于简化的环向裂纹法求解气垫船在全冰面上低速破冰过程中所受的冰力。基于公开发表的气垫船模型试验数据开展仿真分析，计算不同船首形状下的冰阻力，以此解释破冰气垫船船首形状多为扁平的原因。研究表明，在考虑气垫船弹性形变的情况下，载荷时历曲线呈现较强的震荡，表现出很强的非线性；在其他条件不变的情况下，船首形状越接近扁平，所受冰阻力越小。冰载荷分析对于设计气垫破冰船具有一定的应用价值。     

PC5级多用途集装箱船线型设计

以某型具有一定破冰能力的PC5级多用途集装箱船为对象,分析其冰级、船型、破冰能力需求,研究其线型设计。对线型首部形式、首柱角度对PC5级多用途船航行性能影响进行分析。总结了具有一定破冰能力的冰区运输船的线型设计方向,可为后续此类船舶的线型设计提供参考。     

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。     

极地船连续破冰阻力数值模拟研究

连续破冰是自破冰型极地船舶中最常用的破冰模式,连续破冰阻力精确计算是极地船舶航行性能预报和船型优化设计的基础。论文提出一种基于预设冰网格技术的连续破冰阻力数值模拟方法,预先对船体水线附近的线型进行分层离散及对冰场进行方形网格离散,通过几何计算和受力分析数值模拟连续破冰进程及产生的破冰阻力分量。进一步考虑连续破冰阻力与运动耦合效应,在时域内建立船体6自由度运动微分方程,数值求解获得连续破冰阻力时间历程结果。利用该数值模拟方法计算获得了一艘PC3级极地油船连续破冰阻力时间历程结果,并将冰阻力有义值与对应的模型试验结果进行了对比。研究表明,数值模拟获得的连续破冰阻力时历结果能够反映连续破冰进程,数值模拟获得的冰阻力有义值与模型试验结果的误差在12%以内。论文的数值模拟方法能够高效、精确地模拟连续破冰进程及冰阻力,具有一定的工程应用价值。     

极地物探船破冰阻力数值仿真及试验研究

由于极地物探船作业的特殊性,极地海域冰况对物探船阻力会产生较大的影响.开展极地物探船冰阻力性能研究对船型开发具有重大意义.本文利用数值仿真方法和冰池模型试验方法研究极地物探船在平整冰区的航行过程,并对比分析2种研究方法的试验现象和结果.研究表明:数值仿真方法可以较为准确地反映出极地物探船在平整冰区的航行过程和冰层的破碎...     

冰区航行船舶冰阻力研究方法综述

船舶在冰区航行时的冰阻力性能一直是国内外关注和研究的重点。冰阻力的研究主要集中在经验方法、数值模拟和实验研究三个方面。同时,由于冰区船舶在航行过程中频繁地与冰层或浮冰产生碰撞,海冰的材料结构和力学性质对冰阻力的研究有重要影响。文章从冰的物理力学特性出发,简要回顾几种重要的冰本构关系模型及其适用性;并从经验方法及试验与数值模拟相结合两个角度,回顾和讨论浮冰区和平整冰区中船舶的冰阻力性能研究进展;最后,基于研究现状提出尚需进一步解决的问题。文章旨在介绍冰区船舶冰阻力性能的研究进展,望能为后续冰阻力研究提供参考。     

破冰船阻力性能估算

在预测船体冰阻力数值方法中,有许多不同的公式可以用来估算不同冰况下工作的船体冰阻力。其中模型试验仍将是最准确的预测,但其他的一些方法也可以给冰阻力的估算提供依据。对破冰船的破冰方式在破冰过程中所受的阻力进行分析,探讨其在不同冰况下的冰阻力成分,分析各种冰阻力计算公式,然后对1艘破冰船进行实际计算,最后分析各公式计算结果以及各种方法的优缺点及适用范围。     

垂直船首对提高推进性能的效果探讨

在研究了传统的船首形状及性能效果后,发现由于受种种制约因素的限制,船首一般比较肥大,主船体产生的兴波很大,相对而言,球鼻首产生的干涉波比较弱．因此,经过干涉后降低的兴波阻力是有限的,兴波阻力占总阻力的比重仍然很高．为了研究更好的船首形状以降低阻力,获得良好的推进性能,提出了垂直船首的设想．将首垂线延伸到船的最前端,改变了船首水线面形状和球鼻首．利用CFD摸拟分析了垂直船首对推进性能的影响,并做了模型试验．试验发现垂直船首的船模首部兴波明显改善,兴波阻力大幅降低,显著地提高了推进性能,同时也提高了经济效益和环保效益．     

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。