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典型航行状态下船冰碰撞载荷与结构响应研究
摘要
两极之地战略性的地理位置与丰富的油气资源值得各国对极地航行器开发、航运
科考投入大量时间与精力,极地地区势必成为影响未来世界能源供应、全球航运、国
际贸易的战略之地。但极地地区冰情复杂,破冰船开辟的航道仍存在大小形状不一的
浮冰和再次冻结的层冰域,使得非破冰型船舶在极地地区航行难度远比常规水域复杂。
因此本文重点对船舶浮冰区直航、层冰区直航和回转等典型运动状态进行了模拟,开
展了船冰碰撞载荷计算和艏部典型结构响应分析,主要研究内容如下:
首先对船-冰-水耦合作用中结构化-任意拉格朗日欧拉流固耦合方法(S-ALE)和海冰
材料模型进行了分析。通过海冰的三点弯曲试验仿真和单轴压缩试验仿真验证了各向
同性弹塑性本构模型对海冰力学性能和失效模式模拟的准确性;通过海水域初始压力
分层模拟、浮冰的静水漂浮模拟、船舶静水航行模拟验证了S-ALE方法处理船-冰-水耦
合的适用性。
然后基于已验证的S-ALE流固耦合方法和海冰本构模型,展开了北极海域低温环
境影响下的艏部-大块浮冰碰撞数值模拟,对艏部-浮冰-水域耦合作用下航行阻力及受
载状况进行了研究。首先对常温与-40℃下的某A型钢材属性进行了分析,验证了低温
对钢材强度有加强作用。通过船舶不同航速下敞水域航行模拟,分析了船舶船行波以
及水阻力变化,揭示了船舶航行过程中水阻力对冰载荷的弱化关系。获得了具有初始
动能的船舶与浮冰碰撞的载荷成分、船体结构应力和能量转换特性。在船-冰-水耦合机
理研究的基础上,分别建立艏部-平整冰-水域和舷侧-异形浮冰-水域数值模型,展开不
同冰型参数下艏部典型部位危险碰撞场景的分析,得到了浮冰尺寸、厚度、坡度角、
棱角等冰型参数对船-冰碰撞时间与空间上的影响规律。
最后基于操纵性理论和有限元分析方法,对船舶不同操纵状态下与层冰相互作用
下数值模拟。以破冰航速与冰厚等典型参数为变量,进行了多方案的直行破冰与回转
破冰模拟,对水域作用下的层冰失效破坏模式进行了探究;结合艏部外板、纵骨、肋
骨等典型结构应力对船体损伤程度进行了评估;分析了不同破冰阶段冰载荷与船速、
冰厚参数的敏感性和变化规律;基于IACS冰区规范和船艏角参数,得到了本船的设计
冰压,对艏部局部冰压进行了校核,并得到了冰压随船速与冰厚的变化规律。
关键字:S-ALE流固耦合方法;船冰相互作用;结构响应;冰载荷;局部冰压
典型航行状态下船冰碰撞载荷与结构响应研究
Abstract
ThestrategicgeographicallocationandrichoilandgasresourcesoftheArcticand
Antarcticaareworthyofalotoftimeandenergyforcountriestoinvestinpolaraircraft
developmentandnavigationresearch.Therefore,thepolarregionisboundtobecomeastrategic
placeaffectingthefutureworldenergysupply,globalshippingandinternationaltrade.
However,theseaicesituationinthepolarregioniscomplex,andthechannelcreatedbythe
icebreakerwillstillproducefloatingiceofdifferentsizesandshapesandthere-frozenlayer
icedomain,makingthenavigationofnon-icebreakingshipsinthepolarregionmuchmore
difficultthanconve
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