CN110705164A - 冰—船相互作用模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了冰—船相互作用模拟方法，建立基于断裂力学的冰阻力模型；船舶在平整冰原中直线航行；船舶在冰原中回转运动；移动裂纹断裂单元计算方法；运用有限元方法模拟计算和分析移动裂纹断裂单元在船舶通过大面积冰原时的破冰过程以及船舶所承受全局冰载荷。本发明的有益效果是能够计算船舶在冰区航行的冰阻力，从而对冰区航行船舶操纵性能进行预报分析。
Description
技术领域
本发明属于船舶技术领域，涉及冰—船相互作用模拟方法。
背景技术
海冰对船舶航行构成较大威肋，船舶操纵困难，容易偏离计划航线造成碰撞和搁浅等事故。国内外学者针对冰载荷所开展研究工作也主要采用理论分析、试验测试和计算仿真三类方法。其中，理论分析得到的有关公式依据理想假设，需要凭借工程人员经验进行修正；试验测试得到的相关数据依赖测试对象，同时还具有投资大、费用高、耗时长等特点。计算仿真方法研究不仅可作为理论分析和试验测试的有效补充，从趋势上看，也将有望成为船舶设计的主要手段和有效工具。基于上述背景，本发明以保障冰区船舶航行安全为目的，调查分析海冰对船舶航行安全的主要影响参数，运用断裂力学理论研究船舶在平整冰破冰过程的作用机理和模型，运用有限元方法数值模拟船舶在冰区直线航行、回转运动的破冰过程，计算分析船舶冰区航行所受的冰作用力情况，为冰区船舶操纵控制提供理论基础。
发明内容
本发明的目的在于提供冰—船相互作用模拟方法，本发明的有益效果是能够计算船舶在冰区航行的冰阻力，从而对冰区航行船舶操纵性能进行预报分析。
本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：
1)基于断裂力学的冰阻力模型
船舶在大面积冰原中破冰前行时，船舶前方的海冰不断被破坏和分离(碎冰区)，由碎冰区形成船舶通行的航道。针对海冰特性，将大面积平整冰原中航行船舶的破冰过程，抽象成平板中有限长度的移动裂纹模型。船舶在大面积冰原中破冰前行时，其形成的碎冰区可考虑成移动的直线段裂纹和圆弧段裂纹。
2)船舶在平整冰原中直线航行
船舶直线航行过程可以分为四个阶段，当船舶开始进入冰原时，此时船舶破冰过程可以视作裂纹长度不断增加的单边裂纹问题；随着船舶逐渐驶入冰原中，此时船舶破冰过程可以视作为偏心裂纹问题；而后，随着船舶的航行，冰原中航行船舶破冰过程可以视作为无限大板中的中心裂纹问题；最后，当船舶驶出冰原时，可以视作裂纹长度不断减小的单边裂纹问题。
3)船舶在冰原中回转运动
船舶回转运动可以视作为圆弧裂纹问题，船舶在平整冰原中的回转运动过程主要发生在船舶的航行过程中(对应于直线航行时的阶段二和阶段三)，因而无需特别考虑船舶驶入和驶出冰原的情形(对应于直线航行时的阶段一和阶段四)。
4)移动裂纹断裂单元计算方法
首先，采用虚拟裂纹闭合法计算裂纹尖端的应变能释放率。其次，利用移动裂纹断裂单元实现裂纹扩展。将一系列移动裂纹断裂单元预置在船舶航行路径上，利用基于应变能释放率的失效准则判断裂纹是否扩展(即裂纹是否移动)。通过裂纹的起裂与闭合，实现裂纹的移动，模拟船舶在大面积冰原中航行时破冰过程。船舶回转运动时，将裂纹尖端节点力和裂纹后端张开位移从整体坐标系转换到局部坐标系中。然后，在局部坐标转中应用虚拟裂纹闭合法极端裂纹尖端应变能释放率。
5)运用有限元方法模拟计算和分析移动裂纹断裂单元在船舶通过大面积冰原时的破冰过程以及船舶所承受全局冰载荷。
首先，针对海冰的力学特性，通过数值试验，确定海冰断裂参数与船舶破冰速度之间的依赖关系。接着，应用移动裂纹断裂单元模拟船舶在平整冰原中直线航行时的破冰过程，研究此时船舶所承受的全局冰载荷与航速、水线面宽度等参数之间的关系。最后，应用移动裂纹断裂单元模拟船舶在平整冰原中回转航行时的破冰过程，研究船舶做回转运动时所承受的全局冰载荷与航速、水线面宽度等参数之间的关系，进一步进行船舶直线破冰和回转破冰时所承受的全局冰载荷的比较。
附图说明
图1是船舶直线航行移动裂纹断裂单元示意图；
图2是船舶回转运动移动裂纹断裂单元示意图；
图3是发明技术路线示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明冰—船相互作用模拟方法包括以下步骤：
1)基于断裂力学的冰阻力模型
船舶在大面积冰原中破冰前行时，船舶前方的海冰不断被破坏和分离(碎冰区)，由碎冰区形成船舶通行的航道。针对海冰特性，将大面积平整冰原中航行船舶的破冰过程，抽象成平板中有限长度的移动裂纹模型。船舶在大面积冰原中破冰前行时，其形成的碎冰区可考虑成移动的直线段裂纹和圆弧段裂纹。
2)船舶在平整冰原中直线航行。
船舶直线航行过程可以分为四个阶段，当船舶开始进入冰原时，此时船舶破冰过程可以视作裂纹长度不断增加的单边裂纹问题；随着船舶逐渐驶入冰原中，此时船舶破冰过程可以视作为偏心裂纹问题；而后，随着船舶的航行，冰原中航行船舶破冰过程可以视作为无限大板中的中心裂纹问题；最后，当船舶驶出冰原时，可以视作裂纹长度不断减小的单边裂纹问题。
3)船舶在冰原中回转运动
船舶回转运动可以视作为圆弧裂纹问题，船舶在平整冰原中的回转运动过程主要发生在船舶的航行过程中(对应于直线航行时的阶段二和阶段三)，因而无需特别考虑船舶驶入和驶出冰原的情形(对应于直线航行时的阶段一和阶段四)。
4)移动裂纹断裂单元计算方法
首先，采用虚拟裂纹闭合法计算裂纹尖端的应变能释放率。移动裂纹断裂单元共有五个节点，每个节点有x和y两个方向的平动自由度。其中，节点1和节点2位于裂纹的尖端，两节点之间用弹簧连接，节点3和节点4位于裂纹尖端的后方，节点5则位于裂纹尖端的前方。如图1所示。
其次，利用移动裂纹断裂单元实现裂纹扩展。将一系列上述移动裂纹断裂单元预置在船舶航行路径上。初始时刻，移动裂纹断裂单元的节点1与节点2重合，节点3与节点4重合。当船舶驶入时，节点3和节点4之间产生节点张开位移，节点1和节点2之间具有节点力。利用基于应变能释放率的失效准则判断裂纹是否扩展(即裂纹是否移动)。通过裂纹的起裂与闭合，实现裂纹的移动，模拟船舶在大面积冰原中航行时的宏观破冰过程。
船舶回转运动时，将裂纹尖端节点力和裂纹后端张开位移从整体坐标系转换到局部坐标系中。然后，在局部坐标转中应用虚拟裂纹闭合法极端裂纹尖端应变能释放率。如图2所示。
5)运用有限元方法模拟计算和分析移动裂纹断裂单元在船舶通过大面积冰原时的破冰过程以及船舶所承受全局冰载荷。
首先，针对海冰的力学特性，通过数值试验，确定海冰断裂参数与船舶破冰速度之间的依赖关系。接着，应用移动裂纹断裂单元模拟船舶在平整冰原中直线航行时的破冰过程，研究此时船舶所承受的全局冰载荷与航速、水线面宽度等参数之间的关系。最后，应用移动裂纹断裂单元模拟船舶在平整冰原中回转航行时的破冰过程，研究船舶做回转运动时所承受的全局冰载荷与航速、水线面宽度等参数之间的关系，进一步进行船舶直线破冰和回转破冰时所承受的全局冰载荷的比较。图3为本发明技术路线示意图。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.冰—船相互作用模拟方法，其特征在于按照以下步骤进行：
1)建立基于断裂力学的冰阻力模型；
2)船舶在平整冰原中直线航行；
3)船舶在冰原中回转运动；
4)移动裂纹断裂单元计算方法；
5)运用有限元方法模拟计算和分析移动裂纹断裂单元在船舶通过大面积冰原时的破冰过程以及船舶所承受全局冰载荷。
2.按照权利要求1所述冰—船相互作用模拟方法，其特征在于：所述建立基于断裂力学的冰阻力模型是船舶在大面积冰原中破冰前行时，船舶前方的海冰不断被破坏和分离，由碎冰区形成船舶通行的航道，针对海冰特性，将大面积平整冰原中航行船舶的破冰过程，抽象成平板中有限长度的移动裂纹模型，船舶在大面积冰原中破冰前行时，其形成的碎冰区可考虑成移动的直线段裂纹和圆弧段裂纹。
3.按照权利要求1所述冰—船相互作用模拟方法，其特征在于：所述船舶直线航行过程分为四个阶段，当船舶开始进入冰原时，此时船舶破冰过程可以视作裂纹长度不断增加的单边裂纹问题；随着船舶逐渐驶入冰原中，此时船舶破冰过程可以视作为偏心裂纹问题；而后，随着船舶的航行，冰原中航行船舶破冰过程可以视作为无限大板中的中心裂纹问题；最后，当船舶驶出冰原时，可以视作裂纹长度不断减小的单边裂纹问题。
4.按照权利要求1所述冰—船相互作用模拟方法，其特征在于：所述船舶回转运动视作为圆弧裂纹问题，船舶在平整冰原中的回转运动过程主要发生在船舶的航行过程中，对应于直线航行时的阶段二和阶段三，因而无需特别考虑船舶驶入和驶出冰原的情形，对应于直线航行时的阶段一和阶段四。
5.按照权利要求1所述冰—船相互作用模拟方法，其特征在于：所述移动裂纹断裂单元计算方法首先采用虚拟裂纹闭合法计算裂纹尖端的应变能释放率，其次，利用移动裂纹断裂单元实现裂纹扩展，将一系列移动裂纹断裂单元预置在船舶航行路径上，利用基于应变能释放率的失效准则判断裂纹是否扩展，通过裂纹的起裂与闭合，实现裂纹的移动，模拟船舶在大面积冰原中航行时破冰过程，船舶回转运动时，将裂纹尖端节点力和裂纹后端张开位移从整体坐标系转换到局部坐标系中，然后，在局部坐标转中应用虚拟裂纹闭合法极端裂纹尖端应变能释放率。
6.按照权利要求1所述冰—船相互作用模拟方法，其特征在于：所述运用有限元方法模拟计算和分析移动裂纹断裂单元在船舶通过大面积冰原时的破冰过程以及船舶所承受全局冰载荷是首先，针对海冰的力学特性，通过数值试验，确定海冰断裂参数与船舶破冰速度之间的依赖关系，接着，应用移动裂纹断裂单元模拟船舶在平整冰原中直线航行时的破冰过程，研究此时船舶所承受的全局冰载荷与航速、水线面宽度等参数之间的关系，最后，应用移动裂纹断裂单元模拟船舶在平整冰原中回转航行时的破冰过程，研究船舶做回转运动时所承受的全局冰载荷与航速、水线面宽度等参数之间的关系，进一步进行船舶直线破冰和回转破冰时所承受的全局冰载荷的比较。
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