破冰船引航下极地船舶结构冰荷载的离散元分析
发布时间：2021-03-30 08:24
采用破冰船引航的方式可有效保障商船在极地冰区的航行安全。通过基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体构造任意形态的海冰单元,同时发展基于扩展多面体单元的粘结失效模型模拟海冰的破碎过程,从而建立基于扩展多面体的离散元方法。采用扩展多面体离散元方法模拟船舶冰区航行过程中的船-冰相互作用,并分析船舶结构上的冰载荷。根据"雪龙号"船体结构模型,采用扩展多面体离散元方法模拟了单船破冰条件下的冰荷载,通过船舶抗冰设计中常用的冰阻力Lindqvist公式和Riska公式校核离散元计算结果。对比结果表明,扩展多面体离散元方法与相关公式计算结果相近,对船舶结构冰荷载的模拟精度较好。采用离散元方法计算了引航条件下破冰船和货船上的冰荷载,分析不同航速和船宽比条件下两船上的冰阻力大小和特点。扩展多面体离散元方法可有效用于船舶结构的冰荷载分析,其计算结果可为冰区船舶设计和航行安全提供重要参考。
【文章来源】：水利水运工程学报. 2020,(03)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
雪龙号破冰船与平整冰作用的离散元模拟
采用稳定阶段的冰载荷均值作为冰阻力，将冰阻力与船舶结构冰阻力的Lindqvist公式和Riska公式计算结果对比。Lindqvist公式将船舶结构冰阻力分为船艏处海冰挤压冰力、海冰弯曲破坏冰力和破碎海冰的浸没阻力三部分，在冰区船舶设计中使用较为广泛[4]。Lindqvist中每部分冰力均采用理想化的模型总结计算公式，因此其计算的冰阻力较为保守。Riska公式是在Lindqvist基础上总结了波罗的海实船测量数据而得出的经验公式，在冰区船舶的冰荷载计算中具有代表性[21]。图5(a)中的虚线为对应工况下Lindqvist公式计算的冰阻力。图6是采用扩展多面体离散元方法计算的冰阻力随冰厚的变化，及其与Lindqvist公式和Riska公式对比结果。从图6可见，三者计算的冰阻力均随冰厚增大而增大，且具有明显的线性增加趋势；在具体数值上，离散元结果基本介于Lindqvist公式和Riska公式之间。因此，通过Lindqvist公式和Riska公式可以充分说明本文扩展多面体离散元方法计算船舶结构冰荷载具有良好的准确性和可靠性。2.3 破冰船引航下船舶结构冰荷载的离散元分析
图5是船舶结构上3个方向的冰荷载时程曲线。可见，船体刚进入冰区时x和z方向上的冰荷载经过一段时间的上升，之后冰荷载趋于稳定且在一定水平上持续波动。由于船体结构破冰过程中海冰会经历由船艏至船舯型线不断收缩变小的过程，海冰会在船肩处剧烈地由两侧挤压船体，因此，y方向上船体结构也会受到较大的冰荷载作用。这里主要考虑船体是否具有向前的破冰能力，即重点考虑x方向上的冰荷载。在后面的分析中，冰荷载和冰阻力均指x方向的结构受力。采用稳定阶段的冰载荷均值作为冰阻力，将冰阻力与船舶结构冰阻力的Lindqvist公式和Riska公式计算结果对比。Lindqvist公式将船舶结构冰阻力分为船艏处海冰挤压冰力、海冰弯曲破坏冰力和破碎海冰的浸没阻力三部分，在冰区船舶设计中使用较为广泛[4]。Lindqvist中每部分冰力均采用理想化的模型总结计算公式，因此其计算的冰阻力较为保守。Riska公式是在Lindqvist基础上总结了波罗的海实船测量数据而得出的经验公式，在冰区船舶的冰荷载计算中具有代表性[21]。图5(a)中的虚线为对应工况下Lindqvist公式计算的冰阻力。图6是采用扩展多面体离散元方法计算的冰阻力随冰厚的变化，及其与Lindqvist公式和Riska公式对比结果。从图6可见，三者计算的冰阻力均随冰厚增大而增大，且具有明显的线性增加趋势；在具体数值上，离散元结果基本介于Lindqvist公式和Riska公式之间。因此，通过Lindqvist公式和Riska公式可以充分说明本文扩展多面体离散元方法计算船舶结构冰荷载具有良好的准确性和可靠性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于流固耦合方法的船舶破冰阻力参数敏感性研究[J]. 刘为民,涂勋程,谷家扬,陶延武,张忠宇. 船舶力学. 2019(11)
[2]船舶与海洋平台结构冰载荷的高性能扩展多面体离散元方法[J]. 刘璐,尹振宇,季顺迎. 力学学报. 2019(06)
[3]基于Voronoi切割算法的碎冰区构造及离散元分析[J]. 朱红日,季顺迎,刘璐. 计算力学学报. 2019(04)
[4]船冰相互作用研究方法综述[J]. 徐莹,胡志强,陈刚,徐业峻. 船舶力学. 2019(01)
[5]水位变化对正倒锥体冰载荷影响的离散元分析[J]. 龙雪,刘社文,季顺迎. 力学学报. 2019(01)
[6]冰区航行船舶冰阻力研究方法综述[J]. 韩端锋,乔岳,薛彦卓,王庆,王国亮. 船舶力学. 2017(08)
[7]基于原型测量的极地航行船舶船体冰载荷分析[J]. 刘瀛昊,佟福山,高良田. 振动与冲击. 2017(07)
[8]冰层弯曲强度和弹性模量与等效冰温的试验关系[J]. 王建康,曹晓卫,王庆凯,闫利辉,李志军. 南水北调与水利科技. 2016(06)
[9]我国北极航道开拓的战略选择初探[J]. 张侠,杨惠根,王洛. 极地研究. 2016(02)
[10]船首形状对船-冰碰撞性能的影响研究[J]. 史江海,桂洪斌,李丹. 舰船科学技术. 2016(01)
本文编号：3109210
【文章来源】：水利水运工程学报. 2020,(03)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
雪龙号破冰船与平整冰作用的离散元模拟
采用稳定阶段的冰载荷均值作为冰阻力，将冰阻力与船舶结构冰阻力的Lindqvist公式和Riska公式计算结果对比。Lindqvist公式将船舶结构冰阻力分为船艏处海冰挤压冰力、海冰弯曲破坏冰力和破碎海冰的浸没阻力三部分，在冰区船舶设计中使用较为广泛[4]。Lindqvist中每部分冰力均采用理想化的模型总结计算公式，因此其计算的冰阻力较为保守。Riska公式是在Lindqvist基础上总结了波罗的海实船测量数据而得出的经验公式，在冰区船舶的冰荷载计算中具有代表性[21]。图5(a)中的虚线为对应工况下Lindqvist公式计算的冰阻力。图6是采用扩展多面体离散元方法计算的冰阻力随冰厚的变化，及其与Lindqvist公式和Riska公式对比结果。从图6可见，三者计算的冰阻力均随冰厚增大而增大，且具有明显的线性增加趋势；在具体数值上，离散元结果基本介于Lindqvist公式和Riska公式之间。因此，通过Lindqvist公式和Riska公式可以充分说明本文扩展多面体离散元方法计算船舶结构冰荷载具有良好的准确性和可靠性。2.3 破冰船引航下船舶结构冰荷载的离散元分析
图5是船舶结构上3个方向的冰荷载时程曲线。可见，船体刚进入冰区时x和z方向上的冰荷载经过一段时间的上升，之后冰荷载趋于稳定且在一定水平上持续波动。由于船体结构破冰过程中海冰会经历由船艏至船舯型线不断收缩变小的过程，海冰会在船肩处剧烈地由两侧挤压船体，因此，y方向上船体结构也会受到较大的冰荷载作用。这里主要考虑船体是否具有向前的破冰能力，即重点考虑x方向上的冰荷载。在后面的分析中，冰荷载和冰阻力均指x方向的结构受力。采用稳定阶段的冰载荷均值作为冰阻力，将冰阻力与船舶结构冰阻力的Lindqvist公式和Riska公式计算结果对比。Lindqvist公式将船舶结构冰阻力分为船艏处海冰挤压冰力、海冰弯曲破坏冰力和破碎海冰的浸没阻力三部分，在冰区船舶设计中使用较为广泛[4]。Lindqvist中每部分冰力均采用理想化的模型总结计算公式，因此其计算的冰阻力较为保守。Riska公式是在Lindqvist基础上总结了波罗的海实船测量数据而得出的经验公式，在冰区船舶的冰荷载计算中具有代表性[21]。图5(a)中的虚线为对应工况下Lindqvist公式计算的冰阻力。图6是采用扩展多面体离散元方法计算的冰阻力随冰厚的变化，及其与Lindqvist公式和Riska公式对比结果。从图6可见，三者计算的冰阻力均随冰厚增大而增大，且具有明显的线性增加趋势；在具体数值上，离散元结果基本介于Lindqvist公式和Riska公式之间。因此，通过Lindqvist公式和Riska公式可以充分说明本文扩展多面体离散元方法计算船舶结构冰荷载具有良好的准确性和可靠性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于流固耦合方法的船舶破冰阻力参数敏感性研究[J]. 刘为民,涂勋程,谷家扬,陶延武,张忠宇. 船舶力学. 2019(11)
[2]船舶与海洋平台结构冰载荷的高性能扩展多面体离散元方法[J]. 刘璐,尹振宇,季顺迎. 力学学报. 2019(06)
[3]基于Voronoi切割算法的碎冰区构造及离散元分析[J]. 朱红日,季顺迎,刘璐. 计算力学学报. 2019(04)
[4]船冰相互作用研究方法综述[J]. 徐莹,胡志强,陈刚,徐业峻. 船舶力学. 2019(01)
[5]水位变化对正倒锥体冰载荷影响的离散元分析[J]. 龙雪,刘社文,季顺迎. 力学学报. 2019(01)
[6]冰区航行船舶冰阻力研究方法综述[J]. 韩端锋,乔岳,薛彦卓,王庆,王国亮. 船舶力学. 2017(08)
[7]基于原型测量的极地航行船舶船体冰载荷分析[J]. 刘瀛昊,佟福山,高良田. 振动与冲击. 2017(07)
[8]冰层弯曲强度和弹性模量与等效冰温的试验关系[J]. 王建康,曹晓卫,王庆凯,闫利辉,李志军. 南水北调与水利科技. 2016(06)
[9]我国北极航道开拓的战略选择初探[J]. 张侠,杨惠根,王洛. 极地研究. 2016(02)
[10]船首形状对船-冰碰撞性能的影响研究[J]. 史江海,桂洪斌,李丹. 舰船科学技术. 2016(01)
本文编号：3109210
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