CN109766603B - 一种冰船接触过程数值计算方法 - Google Patents
一种冰船接触过程数值计算方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109766603B CN109766603B CN201811603772.9A CN201811603772A CN109766603B CN 109766603 B CN109766603 B CN 109766603B CN 201811603772 A CN201811603772 A CN 201811603772A CN 109766603 B CN109766603 B CN 109766603B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ice
- ship
- contact
- ship body
- calculating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
一种冰船接触作用数值计算方法，属于冰区船舶航行性能计算领域。本发明结合近场动力学方法和冰船接触区域识别方法，开展冰船接触过程数值模拟和计算，首先将冰场实体结构离散成一系列冰物质点，并初始化所有冰物质点密度、体积、速度、加速度参数；将需要计算的船体三维模型离散为一系列四边形面元形式；采用冰‑船接触区域识别算法进行当前时刻所有冰物质点与船体结构的接触判断以及冰载荷的计算；基于近场动力学方法计算当前时刻在接触作用下海冰粒子的破碎情况；每个时间步都进行冰船接触区域和近场动力学方法计算海冰破碎，直到到达最大时间步结束计算。本发明应用冰船接触检测方法可以有效进行冰粒子和船体的接触识别，并计算出瞬态冰载荷。
Description
技术领域
本发明属于冰区船舶航行性能计算领域，具体涉及一种冰船接触作用过程中瞬态冰载荷的预报及海冰破碎过程数值计算方法。
背景技术
随着全球气候变暖，极地地区潜在的政治、经济、科技和军事价值日益突显出来，并已成为世界各国争夺的重要战略要地，包括我国在内的世界各国越来越重视极地科考和开发工作。破冰船作为保证极地安全航行的重要交通工具，在其中发挥着不可替代的作用。破冰船多航行于极地地区或者冰覆盖面积较大的地区，海冰将成为影响破冰船运动性能的主要因素。实船试验和模型试验研究表明，破冰船破冰过程中，海冰的破碎过程包括了多种模型，包括挤压破坏、压屈破坏和弯曲破坏等。由于海冰的物理和力学性质复杂以及破坏形式有很大的随机性，给船-冰相互作用下的数值预报带来很大的困难。船-冰相互作用下的冰载荷要比水动力载荷大很多，对破冰船破冰能力和运动响应的控制载荷有较大影响。破冰船破冰过程和载荷的预报方法有助于深入研究破冰船的冰区航行性能，对指导破冰船的设计和安全运营有着重要的意义。
国内外学者已采用实船试验、模型试验、经验或半经验公式的理论方法等手段开展破冰船的冰载荷预报方面的研究。实船试验虽然在冰阻力值的测量和冰层破坏模式的观测上有着不可取代的作用，但是试验的准备和实施过程耗时耗力，需要花费大量的金钱，因此实船试验很难成为一个理想的方法。模型试验能够很好地克服实船试验的缺点，随着模型试验技术的提高，其结果的准确度已经十分接近于实船试验，而且花费却比实船试验大为降低。近年来，大量破冰船试验已改为采用模型试验的方式来进行。经验或半经验公式的理论方法使用起来比较方便，可准确地预报常规破冰船在平整冰中航行阻力，在破冰船方案论证阶段发挥较大的作用。但是这种方法通常是依靠对已有的实验数据统计学分析建立的模型，没有考虑破坏形式、冰层温度和强度、船舶自身的特点等的影响，其准确性和科学性缺乏保证，应用范围也比较有限。采用数值预报方法预报和分析冰船相互作用问题依然是一个有效的方法，必须采用更为先进的数值计算方法以解决此类问题。近场动力学方法是一种无网格方法，在计算断裂和大尺度变形问题具有独特的优势，非常适合海冰破碎问题。可以预见，未来近场动力学方法将会成为解决冰船接触问题重要的一种数值预报方法。
本发明便是基于近场动力方法建立的一种冰船接触数值计算方法。依据本发明建立的冰船接触过程数值计算方法，可开展多种工况下的冰船相互作用数值模拟。较为通用的是利用FORTRAN语言自编程序实现，当然也可采用其他高级语言实现。采用近场动力学方法解决冰船接触问题，海冰采用的是近场动力学模型，将船体表面考虑成刚性固体且不发生变形，并采用接触检测理论识别冰船接触位置，可形象模拟冰船作用过程中海冰破碎过程，并计算船体受到的瞬时冰载荷，对开展冰区船舶航行性能研究有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于建立一种冰船接触过程数值计算方法，能够准确地模拟出海冰的动态破碎过程，并计算出瞬态冰载荷。
本发明的目的是这样实现的：
一种冰船接触过程数值计算方法，包括以下步骤：
(1)确定冰船接触计算工况，包括船的航速，冰场的物理和力学参数、尺度；
(2)根据冰场的物理和力学参数、尺度，将冰场离散成一系列冰物质点形式，初始化所有冰物质点密度、体积、速度和加速度参数；
(3)对船体三维模型进行面网格划分，划分成一系列四边形面元；
(4)在每个时刻，对所有冰物质点，采用冰船接触区域识别方法判断出每一个物质点是否与船体发生接触，并计算出与船体接触的冰物质点对船体的作用力；
(5)在每个时刻，应用近场动力学方法计算所有物质点受到的近场力和外载荷，进而计算出所有物质点的加速度；通过时间积分获得当前时刻所有物质点的位移和速度以及破坏程度的物理量，进而获得整个冰场的破碎特点；
(6)每个时间步重复步骤4和步骤5，直到到达最大时间步结束计算。
对船体三维模型进行面网格划分时，将船体表面离散为一系列四边形面元，对于船体频繁与海冰接触的区域采用较密网格划分，船体不与海冰接触区域采用较稀疏的网格划分。
冰船接触区域识别方法包括以下具体实施过程：
步骤4.1，建立一个长方体将整个船体包围在内，若海冰的物质点位于长方体内部则假设该物质点为能够与船体接触的物质点；
步骤4.2，对于每一个假设能够与船体接触的物质点，若与船体发生接触，则只能有一个四边形面元与物质点接触；通过物质点和四边形的四个点的坐标位置关系来确定能够与该物质点接触的面元；
步骤4.3，对于每一个假设能够与船体接触的物质点，计算能够与其发生碰撞面元控制点的距离，从中获得距离最短的面元；
步骤4.4，通过点与面数学公式，判断物质点与其距离最短面元的位置关系是否接触；
于是，确定与船体表面发生接触的物质点和与其发生接触的面元。
采用近场动力学方法来模拟海冰的破碎过程。
冰船接触作用过程中，将船体表面看作刚性固体且不发生变形。
本发明的有益效果在于：
近场动力学在模拟海冰等材料大尺度变形以及断裂问题上有明显的优势，能够更真实的反应裂纹在自然状态下的产生和发展，本发明将近场动力学方法应用于冰船相互作用模拟，可以形象模拟出海冰在受到破冰船的作用后会形成碎冰块，破冰过程表现为冰破碎、破碎冰翻转、破碎冰滑移清除；由于船体几何外形复杂，尚需对近场动力法进行改善使其适用于表面结构复杂问题的求解，本发明应用冰船接触检测方法可以有效进行冰粒子和船体的接触识别，并计算出瞬态冰载荷。
附图说明
图1是本发明一种冰船接触过程数值计算流程图；
图2是本发明冰离散和船体网格划分图；
图3是本发明冰船接触过程中海冰破碎计算结果图，其中图3(a)为18.8s，图3(b)为37.6s，图3(c)为56.4s，图3(d)为75.2s；
图4是本发明冰船接触过程中瞬时冰载荷计算结果图，其中图4(a)为x方向冰船接触过程中瞬时冰载荷计算结果图，图4(b)为z方向冰船接触过程中瞬时冰载荷计算结果图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本实施例利用FORTRAN语言自编程序，实施本发明提出的冰船接触作用过程数值计算方法。本发明提出的冰船接触作用过程数值计算方法流程图如图1所示，具体过程是：
步骤1，确定冰船接触过程计算工况，冰场尺度设置为长150m、宽度36m，厚度1.8m的长方体，破冰船航速设置成3节；
步骤2，根据冰场的物理和力学参数、尺度等，将冰物质点之间的间距设置为Δx＝L/240，从而冰场离散成一系列冰物质点形式，并初始化所有冰物质点密度、体积、速度、加速度等参数；
步骤3，船体模型选择的是实尺度破冰船，该船的设计水线长为149.26m，设计水线宽为22.36m，设计吃水为8.0m，对船体三维模型进行面网格划分，并对船艏进行网格加密处理；
步骤4，将时间步长设定为Δt＝0.00376s，在每个时刻，对所有冰物质点，采用冰船接触区域识别方法判断出每一个物质点是否与船体发生接触，并计算出与船体接触的冰物质点对船体的作用力；
步骤5，在每个时刻，应用近场动力学方法计算所有物质点受到的近场力和外载荷，计算出所有物质点的加速度，通过时间积分可获得当前时刻所有物质点的位移和速度以及破坏程度等物理量，进而计算出，进而获得整个冰场的破碎特点。
步骤6，每个时间步重复步骤4和步骤5，直到到达最大时间步结束计算。
本发明可以采用多种方式实现，利用各种高级语言编译程序实现本发明提出的计算方法，本实施例利用FORTRAN语言编译本发明提出的冰船接触作用过程数值计算方法，并在程序中将网格划分结果和计算结果进行可视化输出，使得网格划分结果和计算结果能够在TECPLOT等可视化软件中进行展示，通俗直观。
本发明提出的冰船接触作用过程数值计算方法流程图如图1所示。
本实施例进行的船体面网格划分和冰场离散成一系列冰物质点结果如图2所示。
本实施例的冰船接触过程中海冰破碎过程计算结果如图3所示。
本实施例的冰船接触过程中瞬时冰载荷计算结果如图4所示。
Claims (4)
1.一种冰船接触过程数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定冰船接触计算工况，包括船的航速，冰场的物理和力学参数、尺度；
(2)根据冰场的物理和力学参数、尺度，将冰场离散成一系列冰物质点形式，初始化所有冰物质点密度、体积、速度和加速度参数；
(3)对船体三维模型进行面网格划分，划分成一系列四边形面元；
(4)在每个时刻，对所有冰物质点，采用冰船接触区域识别方法判断出每一个物质点是否与船体发生接触，并计算出与船体接触的冰物质点对船体的作用力；
冰船接触区域识别方法包括以下具体实施过程：
步骤4.1，建立一个长方体将整个船体包围在内，若海冰的物质点位于长方体内部则假设该物质点为能够与船体接触的物质点；
步骤4.2，对于每一个假设能够与船体接触的物质点，若与船体发生接触，则只能有一个四边形面元与物质点接触；通过物质点和四边形的四个点的坐标位置关系来确定能够与该物质点接触的面元；
步骤4.3，对于每一个假设能够与船体接触的物质点，计算能够与其发生碰撞面元控制点的距离，从中获得距离最短的面元；
步骤4.4，通过点与面数学公式，判断物质点与其距离最短面元的位置关系是否接触；
于是，确定与船体表面发生接触的物质点和与其发生接触的面元；
(5)在每个时刻，应用近场动力学方法计算所有物质点受到的近场力和外载荷，进而计算出所有物质点的加速度；通过时间积分获得当前时刻所有物质点的位移和速度以及破坏程度的物理量，进而获得整个冰场的破碎特点；
(6)每个时间步重复步骤4和步骤5，直到到达最大时间步结束计算。
2.根据权利要求1所述的一种冰船接触过程数值计算方法，其特征在于：对船体三维模型进行面网格划分时，将船体表面离散为一系列四边形面元，对于船体频繁与海冰接触的区域采用较密网格划分，船体不与海冰接触区域采用较稀疏的网格划分。
3.根据权利要求1所述的一种冰船接触过程数值计算方法，其特征在于：采用近场动力学方法来模拟海冰的破碎过程。
4.根据权利要求1所述的一种冰船接触过程数值计算方法，其特征在于：冰船接触作用过程中，将船体表面看作刚性固体且不发生变形。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811603772.9A CN109766603B (zh) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | 一种冰船接触过程数值计算方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811603772.9A CN109766603B (zh) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | 一种冰船接触过程数值计算方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109766603A CN109766603A (zh) | 2019-05-17 |
| CN109766603B true CN109766603B (zh) | 2022-09-27 |
Family
ID=66452163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811603772.9A Active CN109766603B (zh) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | 一种冰船接触过程数值计算方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109766603B (zh) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111324959B (zh) * | 2020-02-25 | 2022-07-26 | 山东大学 | 模拟地下工程开挖的近场动力学物质点休眠方法及系统 |
| CN112052518B (zh) * | 2020-08-17 | 2022-11-18 | 大连理工大学 | 一种极地船舶结构冰载荷的远场测量识别方法 |
| CN112231938A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-01-15 | 中国船舶科学研究中心 | 一种基于数值模拟的船舶连续破冰阻力预报方法 |
| CN113779833A (zh) * | 2021-09-07 | 2021-12-10 | 哈尔滨工程大学 | 一种冲击冰载荷作用下结构物响应计算方法 |
| CN113779834B (zh) * | 2021-09-07 | 2023-12-01 | 哈尔滨工程大学 | 一种考虑几何非线性的冰与结构物动力耦合计算方法 |
| CN113779696A (zh) * | 2021-09-07 | 2021-12-10 | 哈尔滨工程大学 | 一种翼型结构物横切冰体的压力空间分布计算方法 |
| CN114065599B (zh) * | 2021-11-04 | 2024-09-06 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于“粒子对”积分形式的“键型”近场动力学方法 |
| CN115009462B (zh) * | 2022-02-25 | 2024-06-28 | 哈尔滨工程大学 | 一种冰区船舶全寿期冰载荷风险值预测方法 |
| CN114613458B (zh) * | 2022-04-19 | 2023-06-02 | 中南大学 | 一种基于常规态型近场动力学的颗粒破碎模拟方法及系统 |
| CN115906568B (zh) * | 2022-11-17 | 2023-09-22 | 哈尔滨工业大学（威海） | 基于船冰碰撞特征的复杂冰况下冰载荷长时历模拟方法 |
| CN117272672B (zh) * | 2023-10-12 | 2024-04-26 | 大连海事大学 | 一种基于快速液固耦合模型的极地船舶破冰效果预测方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7268703B1 (en) * | 2003-09-18 | 2007-09-11 | Garmin Ltd. | Methods, systems, and devices for cartographic alerts |
| CN201955086U (zh) * | 2010-12-31 | 2011-08-31 | 中国海洋大学 | 冰下海洋自动剖面观测系统 |
| CN102400453A (zh) * | 2011-02-22 | 2012-04-04 | 汪砚秋 | 应力破冰法 |
| CN103679803A (zh) * | 2013-12-03 | 2014-03-26 | 大连海事大学 | 一种航海模拟器场景中海冰动态建模方法 |
| CN106394806A (zh) * | 2016-08-29 | 2017-02-15 | 南通中远川崎船舶工程有限公司 | 一种基于冰水池试验的冰区船破冰阻力预报方法 |
| CN106570146A (zh) * | 2016-11-05 | 2017-04-19 | 天津大学 | 一种船体冰载荷精细测试数据的动态历程可视化方法 |
| CN107065597A (zh) * | 2017-05-23 | 2017-08-18 | 大连海事大学 | 一种航海模拟器模拟船冰交互过程的海冰计算方法 |
| CN107907298A (zh) * | 2017-11-06 | 2018-04-13 | 哈尔滨工程大学 | 一种全垫升气垫破冰船破冰试验模型 |
| CN108828646A (zh) * | 2018-07-03 | 2018-11-16 | 国家海洋技术中心 | 基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8523483B2 (en) * | 2010-02-03 | 2013-09-03 | Exxonmobil Upstream Research Company | Ice break-up using artificially generated waves |
-
2018
- 2018-12-26 CN CN201811603772.9A patent/CN109766603B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7268703B1 (en) * | 2003-09-18 | 2007-09-11 | Garmin Ltd. | Methods, systems, and devices for cartographic alerts |
| CN201955086U (zh) * | 2010-12-31 | 2011-08-31 | 中国海洋大学 | 冰下海洋自动剖面观测系统 |
| CN102400453A (zh) * | 2011-02-22 | 2012-04-04 | 汪砚秋 | 应力破冰法 |
| CN103679803A (zh) * | 2013-12-03 | 2014-03-26 | 大连海事大学 | 一种航海模拟器场景中海冰动态建模方法 |
| CN106394806A (zh) * | 2016-08-29 | 2017-02-15 | 南通中远川崎船舶工程有限公司 | 一种基于冰水池试验的冰区船破冰阻力预报方法 |
| CN106570146A (zh) * | 2016-11-05 | 2017-04-19 | 天津大学 | 一种船体冰载荷精细测试数据的动态历程可视化方法 |
| CN107065597A (zh) * | 2017-05-23 | 2017-08-18 | 大连海事大学 | 一种航海模拟器模拟船冰交互过程的海冰计算方法 |
| CN107907298A (zh) * | 2017-11-06 | 2018-04-13 | 哈尔滨工程大学 | 一种全垫升气垫破冰船破冰试验模型 |
| CN108828646A (zh) * | 2018-07-03 | 2018-11-16 | 国家海洋技术中心 | 基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Fast object detection from unmanned surface vehicles via objectness and saliency;Chang Li等;《IEEE》;20151129;第500-505页 * |
| 连续破冰模式下极地破冰船艏部冰载荷计算方法研究;张健等;《中国造船》;20180930;第155-163页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109766603A (zh) | 2019-05-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109766603B (zh) | 一种冰船接触过程数值计算方法 | |
| CN109800472B (zh) | 一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法 | |
| Xue et al. | A review for numerical simulation methods of ship–ice interaction | |
| CN107065597B (zh) | 一种航海模拟器模拟船冰交互过程的海冰计算方法 | |
| CN104334890B (zh) | 侵蚀预测方法以及侵蚀预测系统、用于该预测的侵蚀特性数据库及其构建方法 | |
| Cheng et al. | Towards the modeling of the ditching of a ground-effect wing ship within the framework of the SPH method | |
| CN112231938A (zh) | 一种基于数值模拟的船舶连续破冰阻力预报方法 | |
| CN108536912A (zh) | 一种输电塔结构力学分析及其App制作的方法 | |
| CN114186434B (zh) | 基于逐级划分的沥青混合料三维细观结构模型构建方法 | |
| Xiong et al. | Analysis of shadowing effect of propeller-ice milling conditions with peridynamics | |
| Yuan et al. | Numerical study on dynamic icebreaking process of an icebreaker by ordinary state-based peridynamics and continuous contact detection algorithm | |
| CN116226728B (zh) | 基于单次规则波激励的浮式结构频响函数识别方法 | |
| Chen et al. | A novel method for numerical simulation of the interaction between level ice and marine structures | |
| Chunyu et al. | Numerical modelling of the dynamic ice-milling process and structural response of a propeller blade profile with state-based peridynamics | |
| CN116992577B (zh) | 跨介质航行器的仿真方法、系统、设备及存储介质 | |
| CN106845042A (zh) | 一种船型结构物的强度计算方法 | |
| Zhong et al. | Direct measurements and CFD simulations on ice-induced hull pressure of a ship in floe ice fields | |
| CN111159959B (zh) | 一种基于Simulink和Fluent的智能船舶运动仿真方法 | |
| CN113673007B (zh) | 一种基于sph的双向波浪中船舶耐波性预报方法 | |
| Tabri | Dynamics of ship collisions | |
| CN115391931A (zh) | 一种基于vof模型结合lbm-les大涡模拟的喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟方法 | |
| Kiryanto et al. | Analysis of Total Ships Resistance with Variation of Hull Bow Types, Ulstein X-Bow, Spherical and Tapering Bulbous Bow using CFD Method | |
| Shao et al. | Vertical force prediction of planing craft in calm water based on variable section slamming model | |
| Han et al. | Propeller-Ice Contact modelling with Peridynamics | |
| Tamura et al. | Analysis of wind turbulence in canopy layer at large urban area using HPC database |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |