基于ABAQUS的海冰单元开发及冰载荷直接计算法北大核心CSCD

[目的]随着全球气温的不断升高,北极冰层逐渐融化,开发利用北极航线和北极资源受到国际社会的广泛关注,各国掀起了新一轮的极地船舶建造高潮,而在极地船舶的设计过程中,如何确定船舶冰载荷显得尤为重要。近年来,采用数值方法计算极地结构受到的冰载荷逐渐成为国内外学者关注的重点,而目前的通用商业有限元软件中缺少特定用于模拟海冰力学特性的相关海冰单元,为相关数值研究工作的开展增加了困难。针对这一问题,[方方法]结合Reinicke和Remer提出的各向同性海冰失效准则,在ABAQUS二次开发平台UEL上开发用于模拟海冰失效的新型单元。在所开发的单元中引入弹性基础用以模拟浮力和重力的作用。采用典型的斜坡和圆锥结构算例并结合相关规范公式对所开发的新型单元进行验证。[结果]对比二者之间的计算结果发现,直接计算法与规范公式的计算结果吻合较好。[结论]所提出的直接计算法能够为冰区结构设计提供工具和一定的参考。     

潜艇破冰上浮近场动力学模型

[目的]随着各国对北极地理和气候环境研究的深入,越来越深刻认识到潜艇在北极所能发挥的政治和军事价值。研究潜艇破冰上浮过程及冰载荷的动态特性,可为潜艇壳体的设计和破冰厚度的选择提供支撑。[方法]基于近场动力学方法建立潜艇破冰上浮过程计算模型。首先,详细介绍近场动力学方法用于捕捉物体断裂问题的理论基础,分析该方法用于海冰材料模拟的可行性。然后,为反映潜艇破冰上浮真实的物理过程,基于接触检测理论,建立海冰粒子与潜艇表面的接触区域识别算法,给出计算接触载荷方法。最后,将近场动力学方法与接触区域识别算法结合在一起,开发潜艇破冰上浮计算程序,以跟踪每一个时刻的破冰状态,计算海冰对潜艇壳体的作用力。并以美国DARPA潜艇模型SUBOFF为计算对象,开展潜艇破冰上浮过程数值模拟。[结果]计算结果表明:在用所提方法模拟的潜艇上浮破冰过程中,海冰的动态断裂过程与观察到的美国核潜艇的破冰上浮结果基本一致,冰载荷的动态变化与实际情况相符合。[结论]该方法能为潜艇与冰的相互作用研究提供思路,所得结果可为极地潜艇壳体结构的优化设计提供支撑。     

基于动力效应的船体远场冰载荷测量与识别

[目的]提出一种基于动力效应的冰载荷反演识别方法。[方法]针对船-冰相互作用过程和结构响应特性之间的卷积关系,使用格林函数建立描述冰载荷的卷积积分方程。针对"天恩"号极地运输船的北极航行,安装应变传感器测量船艏区域的冰激响应。对于求解矩阵的病态性与测量中的随机噪声,引入正则化方法解决识别计算中的不适定问题,并获取动冰载荷时程的数值近似稳定解。依托"天恩"号极地运输船的北极航行实测数据,通过船体在海冰作用下的应变响应对冰载荷进行反演识别。[结果]结果表明,格林函数能够有效识别远场冰载荷的时间历程。[结论]载荷识别的有效性受应变信号强度的影响较为明显。此外,在不同海冰破坏模式下,浮冰尺寸和船-冰接触面积是影响冰载荷特征的关键因素。     

基于高性能离散元方法的极区浮式平台冰载荷数值分析

[目的]冰载荷是极区浮式平台结构安全性分析及完整性管理的重要输入,建立快速有效的冰载荷预报技术可保障浮式平台的安全运营。[方法]基于CUDA-C并行处理技术,建立可用于海冰模拟的高性能离散元方法 (DEM)。采用Voronoi分割算法生成平台作业时的碎冰域,其海冰由具有黏结-失效效应的球体单元组成,且黏结单元的破碎由失效准则控制。平台结构由三角单元构成,考虑其在浮力、锚链恢复力及冰载荷共同作用下的六自由度运动。[结果]由模型计算得到,浮式结构在海冰持续作用下的总体冰载荷合理分布在实测数据范围内。[结论]极区浮式平台冰区运行时冰载荷受冰厚影响较大,应配套破冰服务以减弱其作业区域的冰情。     

基于环向裂纹法的冰激载荷船舶运动响应研究

为保证船舶在冰区安全航行和船上机械设备安全，需要考虑冰激载荷特性引起的船舶运动响应问题。论文以一艘极地运输船作为研究对象，采用基于半经验公式的数值方法模拟连续破冰情况下船舶所承受的冰载荷，求解冰区船舶在平整冰区域直航过程中由冰载荷冲击引起的运动响应，计算分析横荡、纵荡和垂荡3自由度冲击加速度，同时基于中国船级社规范，选取PC3冰级，计算规范要求的冲击加速度，将两者计算结果进行对比，揭示了在不同冰厚、弯曲强度和船-冰摩擦系数下加速度的变化趋势。此数值模拟方法对冰区船舶设计与冰区航行具有一定的指导意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

冰载荷下的船舶运动建模

随着极地航道的开辟以及极地海洋能源开发的需要,海冰与船体的相互作用以及极地船舶航行与作业安全越来越受到关注。本文主要针对破冰过程的几个典型阶段,对冰载荷对船舶的作用力进行了分析与计算,并考察了破冰船在不同的海冰密集度、冰厚以及船舶不同航速情况下的不同影响。     

基于FEM/SPH耦合方法的极地运输船舶冰阻力预报研究

冰阻力是极地运输船舶动力需求分析和船型优化设计阶段的重要参考指标.本文基于有限元理论,采用粘聚单元法构建海冰数值模型,开展冰样单轴压缩和三点弯曲试验过程模拟,验证了该模型满足海冰数值计算的要求.在此基础上,以某极地运输船舶为研究对象,采用有限元/光滑粒子流体动力学耦合算法,通过罚函数接触算法传递有限元网格与水粒子之间接触状态和作用力,考虑船舶破冰过程中船/冰/水耦合作用,模拟破冰过程裂纹产生和扩展、冰块翻转与滑移等现象,并进行了冰阻力预报.     

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.     

冰载荷下的船舶运动建模

针对破冰过程的几个典型阶段,分析和计算冰载荷对船舶的作用力,并应用破冰船模型考察了冰载荷在不同的冰密集度、冰厚以及不同航速下对船舶的不同影响。计算结果表明:冰厚、海冰密集度和航速对船舶所受到的冰载荷作用力皆有影响,其中冰厚和航速对其影响较大,海冰密集度对其影响相对较小,但船舶所受冰载荷作用力皆因这三种因素的增大而增大,所采用的计算模型可为后续冰载荷计算提供一定参考。     

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。     

极地船舶规范及其主要技术发展

通过梳理极地船舶国际公约、规范技术现状，分析中国船级社建立的极地航行船舶规范特点，并结合我国极地战略及发展需求，总结未来极地船舶规范的技术发展趋势。针对极地船舶破冰技术、防寒技术和航行及保障技术等重要关键技术问题，从船舶结构冰载荷技术、冰载荷作用下的结构强度计算、冰载荷激励下螺旋桨和轴系强度、极地船舶防寒设计与低温试验验证、极地操作能力评估和冰区操作船体监测技术等方面进行阐述，提出了发展建议，为未来我国极地船舶规范体系的自主构建提供技术支持。     

基于船基海冰参数现场测量的极区船舶结构冰激疲劳损伤分析

论文建立了一种极区船舶结构冰激疲劳评估方法。基于极地科学考察船在北极现场的测量数据，分析得到海冰的统计特性；由冰厚和航速的联合概率分布，得到极区环境航行的典型工况。采用离散元方法建立船-冰作用模型，获取不同工况下船首局部区域的冰载荷分布。将局部冰载荷施加在船首有限元模型的对应区域，采用插值方法计算热点区域应力幅值和循环次数。根据累积疲劳损伤理论，将各工况的疲劳损伤叠加，得到总损伤。为验证该方法的准确性，将船舶结构冰激疲劳寿命计算结果与英国劳氏船级社规范进行了对比分析。结果表明，该方法可很好地应用于极区船舶结构冰激疲劳设计。     

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。     

计及流体影响的船舶回转冰阻力数值模拟

[目的]极地船舶在极地航行时,复杂的冰阻力不仅会给船舶带来结构上的威胁,还对船舶的操纵性提出了新的挑战,尤其当船舶在层冰区中进行转向运动时,挑战更大。近年来的研究主要集中在船—冰碰撞的强相互作用上,而少有研究流体对冰阻力的影响。[方法]采用非线性有限元法,基于适当的冰材料模型和合理的耦合破坏模式,研究船舶回转运动过程中冰与船之间复杂、强烈的非线性相互作用。同时,采用流固耦合方法,研究流体对船—冰相互作用的影响。[结果]数值结果与经验公式的对比确定了模拟的有效性与可靠性,其中对比有、无流体作用时船舶受到的纵向、横向和垂向冰阻力情况显示,计及流体影响时,船舶的冰阻力在3个自由度上会有明显提升。[结论]船舶破冰回转运动中考虑流体对冰阻力的影响,能准确预测船舶回转时的冰阻力且能有效保证船舶的航行安全。     

基于粘聚力单元的平整冰与海洋桩柱结构相互作用机理研究

平整冰与海洋桩柱结构的相互作用问题十分复杂,往往涉及到海冰的破碎、失效和堆积等现象。平整冰破坏问题本质上是一个材料脆性破坏的问题,然而传统有限元方法的单元失效机制在处理该问题时有着很大的局限性,不能合理反映平整冰破碎后碎冰的变形和运动状态。因此,有必要发展现有仿真技术,建立合理的模型化方法来解决平整冰破坏相关关键问题。本文通过自定义海冰材料本构模拟海冰材料力学特性,并通过粘聚力单元模拟平整冰破坏时裂纹的产生和扩展,通过开展海洋桩柱结构与平整冰相互作用的仿真分析,分析平整冰在受桩柱作用时的破坏失效模式及两者的相互作用载荷,并与相关模型试验比较验证本文所提出方法的可靠性。研究表明,本文所采用的方法能够有效模拟平整冰在受桩柱作用时的挤压和弯曲破坏,同时能够较为准确地预报冰载荷。研究成果对于海洋桩柱结构冰载荷的预报和结构的设计具有重要的参考意义。     

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。