极地航行船舶冰力预报的层冰破坏模型

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极地航行船舶冰力预报的层冰破坏模型

作者:汪玉兰何鸣张强

来源:《科技视界》2016年第13期

【摘要】随着极地战略的提出,对极地船舶的相关研究受到越来越多的重视。在对极地

航行船舶进行冰力预报前,需要研究层冰的破环机理,建立合适的层冰破环模型。所有数学模型方法和仿真方法都是建立在一定假设之上的,根据已有的研究基础,本文对极地航行船舶与层冰的相互作用进行理论分析,基于船舶破冰过程中的各种理想化假设,对船舶的破冰过程进行简化,使其在工程计算中具有可行性。

【关键词】层冰;冰力;层冰破坏模型

0 前言

目前对层冰破坏机理的研究是一个较前沿的课题,冰力预报方法多是基于试验的回归公式,国内现在尚处于研究的起步阶段[1]。但是经验公式并不能反映层冰的破坏过程,所以有

必要研究层冰的破坏过程:岳前进(2003)[2]等人通过试验结果观察得到冰与锥体作用破坏

过程,建立确定性的冰力函数,该研究反映了国内初步对层冰破坏机理的探索,函数中部分参数需要通过实验获得;何菲菲(2010)[3]结合弹性力学理论和最小势能原理,提出了破冰船

破冰载荷的理论计算公式,该方法只考虑了层冰的弯曲破坏。

国外对船舶在层冰中冰力预报的研究起步比国内早得多,用数值方法进行冰力预报都是基于不同的层冰破坏模型的,Lau.el(2006)[4]基于DECICE计算船舶在冰中的运动,将层冰近似成三维弯曲板元件研究层冰的破坏,Biao Su (2011)[5]运用压毁和弯曲失效模型,模拟了船舶的连续破冰,得到船舶局部冰载荷分布情况。这些方法中建立层冰破坏模型都要考虑破冰过程的理想化假设、层冰破坏的失效形式、冰力的成分分析、船体与冰接触边缘的几何条件等。

1 层冰破坏模型

冰力预报时数值方法不仅可以计算冰阻力还可以描述破冰过程,这就需要对层冰的破冰过程进行研究讨论,建立合适的层冰破坏模型。

1.1 连续破冰过程的理想化假设

冰力是一个随机力,船舶运动也决定了冰力的大小,冰载荷的变化外因是冰况的变化,内因是接触形式和破冰形式的变化,船冰相互作用的研究对建立可靠的数值方法预报冰载荷起着关键作用。在层冰中操纵船舶时,主要由船艏部分冲破冰层,回转操作时,冰的边缘与船肩、船侧频繁接触,相对于弯曲来说,冰的压毁也是不可忽略的冰力重要组成部分,所以船舶回转运动时受到的破冰力远比直航运动时多。

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