采用破冰船引航的方式可有效保障商船在極地冰區(qū)的航行安全。通過基于閔可夫斯基和原理的擴(kuò)展多面體構(gòu)造任意形態(tài)的海冰單元,同時發(fā)展基于擴(kuò)展多面體單元的粘結(jié)失效模型模擬海冰的破碎過程,從而建立基于擴(kuò)展多面體的離散元方法。采用擴(kuò)展多面體離散元方法模擬船舶冰區(qū)航行過程中的船-冰相互作用,并分析船舶結(jié)構(gòu)上的冰載荷。根據(jù)"雪龍?zhí)?船體結(jié)構(gòu)模型,采用擴(kuò)展多面體離散元方法模擬了單船破冰條件下的冰荷載,通過船舶抗冰設(shè)計(jì)中常用的冰阻力Lindqvist公式和Riska公式校核離散元計(jì)算結(jié)果。對比結(jié)果表明,擴(kuò)展多面體離散元方法與相關(guān)公式計(jì)算結(jié)果相近,對船舶結(jié)構(gòu)冰荷載的模擬精度較好。采用離散元方法計(jì)算了引航條件下破冰船和貨船上的冰荷載,分析不同航速和船寬比條件下兩船上的冰阻力大小和特點(diǎn)。擴(kuò)展多面體離散元方法可有效用于船舶結(jié)構(gòu)的冰荷載分析,其計(jì)算結(jié)果可為冰區(qū)船舶設(shè)計(jì)和航行安全提供重要參考。 

【文章來源】：水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào). 2020,(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

雪龍?zhí)柶票c平整冰作用的離散元模擬

采用穩(wěn)定階段的冰載荷均值作為冰阻力，將冰阻力與船舶結(jié)構(gòu)冰阻力的Lindqvist公式和Riska公式計(jì)算結(jié)果對比。Lindqvist公式將船舶結(jié)構(gòu)冰阻力分為船艏處海冰擠壓冰力、海冰彎曲破壞冰力和破碎海冰的浸沒阻力三部分，在冰區(qū)船舶設(shè)計(jì)中使用較為廣泛[4]。Lindqvist中每部分冰力均采用理想化的模型總結(jié)計(jì)算公式，因此其計(jì)算的冰阻力較為保守。Riska公式是在Lindqvist基礎(chǔ)上總結(jié)了波羅的海實(shí)船測量數(shù)據(jù)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式，在冰區(qū)船舶的冰荷載計(jì)算中具有代表性[21]。圖5(a)中的虛線為對應(yīng)工況下Lindqvist公式計(jì)算的冰阻力。圖6是采用擴(kuò)展多面體離散元方法計(jì)算的冰阻力隨冰厚的變化，及其與Lindqvist公式和Riska公式對比結(jié)果。從圖6可見，三者計(jì)算的冰阻力均隨冰厚增大而增大，且具有明顯的線性增加趨勢；在具體數(shù)值上，離散元結(jié)果基本介于Lindqvist公式和Riska公式之間。因此，通過Lindqvist公式和Riska公式可以充分說明本文擴(kuò)展多面體離散元方法計(jì)算船舶結(jié)構(gòu)冰荷載具有良好的準(zhǔn)確性和可靠性。2.3 破冰船引航下船舶結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析

圖5是船舶結(jié)構(gòu)上3個方向的冰荷載時程曲線�？梢姡w剛進(jìn)入冰區(qū)時x和z方向上的冰荷載經(jīng)過一段時間的上升，之后冰荷載趨于穩(wěn)定且在一定水平上持續(xù)波動。由于船體結(jié)構(gòu)破冰過程中海冰會經(jīng)歷由船艏至船舯型線不斷收縮變小的過程，海冰會在船肩處劇烈地由兩側(cè)擠壓船體，因此，y方向上船體結(jié)構(gòu)也會受到較大的冰荷載作用。這里主要考慮船體是否具有向前的破冰能力，即重點(diǎn)考慮x方向上的冰荷載。在后面的分析中，冰荷載和冰阻力均指x方向的結(jié)構(gòu)受力。采用穩(wěn)定階段的冰載荷均值作為冰阻力，將冰阻力與船舶結(jié)構(gòu)冰阻力的Lindqvist公式和Riska公式計(jì)算結(jié)果對比。Lindqvist公式將船舶結(jié)構(gòu)冰阻力分為船艏處海冰擠壓冰力、海冰彎曲破壞冰力和破碎海冰的浸沒阻力三部分，在冰區(qū)船舶設(shè)計(jì)中使用較為廣泛[4]。Lindqvist中每部分冰力均采用理想化的模型總結(jié)計(jì)算公式，因此其計(jì)算的冰阻力較為保守。Riska公式是在Lindqvist基礎(chǔ)上總結(jié)了波羅的海實(shí)船測量數(shù)據(jù)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式，在冰區(qū)船舶的冰荷載計(jì)算中具有代表性[21]。圖5(a)中的虛線為對應(yīng)工況下Lindqvist公式計(jì)算的冰阻力。圖6是采用擴(kuò)展多面體離散元方法計(jì)算的冰阻力隨冰厚的變化，及其與Lindqvist公式和Riska公式對比結(jié)果。從圖6可見，三者計(jì)算的冰阻力均隨冰厚增大而增大，且具有明顯的線性增加趨勢；在具體數(shù)值上，離散元結(jié)果基本介于Lindqvist公式和Riska公式之間。因此，通過Lindqvist公式和Riska公式可以充分說明本文擴(kuò)展多面體離散元方法計(jì)算船舶結(jié)構(gòu)冰荷載具有良好的準(zhǔn)確性和可靠性。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：3109210