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。     

极地重型破冰船结构设计特点浅析

极地重型破冰船是极地航路开辟、救援支援、科学考察及资源开发的重点保障装备。与中低冰级极地船型/破冰船相比，由于其高冰载荷作用环境特点，该船型在高强度钢/特种材料应用、冰载荷作用下结构安全评估以及船体结构布置设计等方面有其鲜明特征，需予以重点考虑，不可武断地沿用以往针对中低冰级极地船型的结构设计经验。该文以某型PC2级极地重型破冰船型为例，总结其结构设计/评估经验，重点就冰区构件高强度结构钢应用、冰区外板复合钢板应用需求与特点、非线性评估技术应用对冰区构件尺度影响、冰致剪力/弯矩分布特点及其对主船体内部平台、桥楼侧壁等非冰带区构件设计影响展开讨论，阐明此类船型结构设计特点及其与中低冰级极地船型/破冰船在整体结构布置思路、冰区结构设计评估方面的主要区别。文中认为：随着冰级的升高，冰载荷的影响已不仅仅局限于冰区外板及其附连构件区域，在冰区构件材料选型及整船全局性结构布置、设计等方面也会产生重大影响。     

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。     

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。     

艉部先行模式下的船-冰碰撞载荷模型试验研究

双向航行极地船舶带来了艉部先行的全新冰区航行模式,然而现行冰级规范中针对艉部区域的设计冰载荷及结构加强水平仍存在着较大的分歧.以我国双向破冰极地科考船雪龙2号为原型开展冰水池物理模型试验,对艉部先行模式下船尾与巨型浮冰的碰撞进行模拟.在碰撞过程中船体冰载荷由粘贴在船尾表面的触觉传感器测得.通过艉部碰撞载荷测试数据,建立...     

基于SPH-FEM算法的浮冰-水-船耦合作用数值模拟方法

针对计算机模拟极地船舶在冰区航行过程中同时受浮冰与海水影响的非线性与随机性等特点,本文将光滑粒子流体动力学与有限单元法耦合算法应用于某LNG船在冰水池试验航行时与浮冰碰撞的动态过程仿真中。阐述其耦合算法的基本理论与实现方法,模拟船舶航行过程中遇到不同密集度的浮冰工况,分别监测船体所受冰阻力的数值,观察浮冰运动情况,分析LNG舶与各密集度浮冰碰撞时阻力随时间变化规律,与经验公式比较。结果表明,该耦合算法模拟的LNG船航行于各浮冰工况符合真实情况,结果具有较高精度,为后续极地船舶的冰载荷研究提供了有力依据。     

极地破冰船冰区结构设计规范对比研究

通过对各主要船级社关于破冰船结构设计的规范进行比较和分析,研究了不同规范关于冰级定义、船体加强区域划分、材料和腐蚀余量、船体外形参数、冰载荷、冰区总强度、冰区构件尺寸以及结构设计细则的具体要求;总结了各种规范体系的特点,为今后极地破冰船的结构设计研发提供了规范参考,具有一定的现实意义。     

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。     

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。     

基于船-水-冰耦合技术的撞击参数对船冰碰撞性能的影响

以极地运输船舶的首部作为研究对象,建立基于流固耦合算法的船-水-冰耦合技术对三维船首与冰体碰撞的结构响应问题进行研究,成功解决了船体、冰体与流场、船体与冰体之间的耦合,考虑了碰撞过程中船体与冰体的同步损伤,并结合非线性有限元软件Ls-dyna对比分析了冰体质量、船冰碰撞角度等撞击参数的结构响应问题,分析了不同碰撞工况下船舶撞击冰体后损伤变形、碰撞力等方面的变化特征,对分析船舶与冰体碰撞的结构性能具有参考价值。     

“木兰”船体分段拖航过程中折断事故分析

以"木兰"船体分段拖航折断事故为工程案例,分别采用许用应力设计法、极限状态设计法两种分析方法对该船体梁强度进行校核,分析舱室进水对设计载荷的影响。结果表明:基于有限元的极限状态分析方法能够准确地得到结构极限承载能力,其损伤模式及过程与事故吻合较好,是可靠的事故分析方法。该船体分段在6级风浪载荷下的极限强度满足规范要求,但舱室进水严重恶化了中垂情况下船体梁的受力状态,最终导致了船体中垂折断事故的发生。     

冰载荷作用下船体结构强度有限元分析方法

针对船舶在冰区航行过程中船体承受冰载荷的直接撞击作用,存在结构损坏风险的情形,旨在研究建立冰载荷作用下船体结构强度有限元分析的技术实施方法.分析船—冰相互作用特点,研究结构分析时冰载荷的理想化及施加方法,基于冰区船舶结构特点提出极地船舶有限元建模方法,考虑线性和非线性分析方法的差异研究结构强度校核准则,在此基础上,构建线性和非线性有限元分析方法在极地船结构强度分析过程中的实施方法和技术途径.通过实船结构船首和船中结构强度分析的计算验证,该方法具有较好的可操作性,可为极地船舶的结构强度分析提供参考.     

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。     

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。     

大型船舶冰区结构加强技术研究

冰区航行船舶,船体结构受到冰载荷的作用而产生应力。本结合１１万吨级成品油船冰区加强结构设计,简述规范设计要求及理论计算方式,即碰撞模型的二维模拟计算方法。     

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.     

冰水混合环境下船舶操纵性回转试验研究

针对一艘典型极地冰区船,开展了冰水混合环境下的船舶回转试验研究。试验采用70%密集度的非冻结模型冰,以全约束模型方式在旋臂水池中进行,测定了固定半径不同漂角下船舶所受到的纵向力、侧向力和偏航力矩。试验结果表明：在回转过程中,船体周围的碎冰产生了翻转和堆叠现象,船体与碎冰发生随机碰撞,影响船体水动力特性;随着漂角的增大,船体受力呈非线性的增加趋势。研究成果可为冰区船舶机动回转特性的研究提供技术依据和参考。     

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。     

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.     

艏艉破冰模式极地船冰区划分及冰载荷弯矩剪力对总纵强度的影响

对于首尾破冰模式的极地船舶,规范中并没有详细给出其冰带划分的方法,仅仅提到尾部破冰参考艏部破冰区域划分,但由于船体尾部线型和艏部线型差距较大,故并不能很好的适用,本论文以一艘PC4级110kt极地原油船为例,就此针对尾破冰模式进行冰区带划分。 另外冰载荷产生的弯矩剪力对船体总体强度的影响也在本文中论述。