CN110705164B - 冰—船相互作用模拟方法 - Google Patents
冰—船相互作用模拟方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110705164B CN110705164B CN201910943967.6A CN201910943967A CN110705164B CN 110705164 B CN110705164 B CN 110705164B CN 201910943967 A CN201910943967 A CN 201910943967A CN 110705164 B CN110705164 B CN 110705164B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ice
- ship
- crack
- breaking
- area
- 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
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 62
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 230000003993 interaction Effects 0.000 title claims abstract description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 38
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 7
- 238000005336 cracking Methods 0.000 claims description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 2
- 235000015243 ice cream Nutrition 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
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：
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。
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。
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）。
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，在局部坐标系中应用虚拟裂纹闭合法计算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：
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。
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。
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）。
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，在局部坐标系中应用虚拟裂纹闭合法计算裂纹尖端应变能释放率。如图2所示。
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。
Claims (2)
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；
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，其形成的碎冰区成移动的直线段裂纹和圆弧段裂纹；
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，此时船舶破冰过程为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为无限大板中的中心裂纹问题；最后，当船舶驶出冰原时，为裂纹长度不断减小的单边裂纹问题；
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，而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；
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的破冰过程，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，在局部坐标系中应用虚拟裂纹闭合法计算裂纹尖端应变能释放率。
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910943967.6A CN110705164B (zh) | 2019-09-30 | 2019-09-30 | 冰—船相互作用模拟方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910943967.6A CN110705164B (zh) | 2019-09-30 | 2019-09-30 | 冰—船相互作用模拟方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110705164A CN110705164A (zh) | 2020-01-17 |
| CN110705164B true CN110705164B (zh) | 2024-02-09 |
Family
ID=69197801
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910943967.6A Active CN110705164B (zh) | 2019-09-30 | 2019-09-30 | 冰—船相互作用模拟方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110705164B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103870645A (zh) * | 2014-03-12 | 2014-06-18 | 天津大学 | 带有冰纹效果的蜡染印花图案仿真方法 |
| JP2015132490A (ja) * | 2014-01-10 | 2015-07-23 | 株式会社トヨタ車体研究所 | 氷破壊モデルおよび氷の破壊解析シミュレーション方法 |
| CN108622309A (zh) * | 2018-05-25 | 2018-10-09 | 哈尔滨工程大学 | 共振破冰船舶艏部结构 |
-
2019
- 2019-09-30 CN CN201910943967.6A patent/CN110705164B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015132490A (ja) * | 2014-01-10 | 2015-07-23 | 株式会社トヨタ車体研究所 | 氷破壊モデルおよび氷の破壊解析シミュレーション方法 |
| CN103870645A (zh) * | 2014-03-12 | 2014-06-18 | 天津大学 | 带有冰纹效果的蜡染印花图案仿真方法 |
| CN108622309A (zh) * | 2018-05-25 | 2018-10-09 | 哈尔滨工程大学 | 共振破冰船舶艏部结构 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 骆婉珍 ; 郭春雨 ; 苏玉民 ; 张海鹏 ; .冰缘区船舶与波浪及海冰耦合作用研究与进展.中国造船.2017,(第02期),全文. * |
| 高良田等.破冰船在层冰中运动的数值模拟方法.工程力学.2019,第36卷(第1期),第227-237页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110705164A (zh) | 2020-01-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103246943B (zh) | 基于马尔可夫链的汽车运行工况多尺度预测方法 | |
| Lubbad et al. | A numerical model for real-time simulation of ship–ice interaction | |
| Zhou et al. | Numerical investigations of ship–ice interaction and maneuvering performance in level ice | |
| CN107065597B (zh) | 一种航海模拟器模拟船冰交互过程的海冰计算方法 | |
| CN110696991B (zh) | 一种海洋结构物强迫运动水池实验装置 | |
| CN110705164B (zh) | 冰—船相互作用模拟方法 | |
| Škugor et al. | GPS measurement-based road grade reconstruction with application to electric vehicle simulation and analysis | |
| Tang et al. | Numerical investigation of the maneuverability of ships advancing in the non-uniform flow and shallow water areas | |
| CN105512427A (zh) | 考虑弓网再接触动量冲击的高速铁路弓网动力学仿真方法 | |
| CN104729822A (zh) | 一种涡轮叶片尾迹模拟装置 | |
| CN104760588A (zh) | 一种全垫升气垫船的安全限界控制方法以及基于安全限界的应急工况控制方法 | |
| CN110688796B (zh) | 基于人工神经智能的渤海冰区船舶航迹控制方法 | |
| KR20200031412A (ko) | 연속 모형빙 구조의 빙수조 시스템 | |
| CN112464360B (zh) | 一种基于元胞自动机和多智能体的lng船舶通过能力计算与仿真系统 | |
| Wang et al. | Research on application in intelligent vehicle automatic control system | |
| Verma et al. | Route to transition in propulsive performance of oscillating foil | |
| Su et al. | Numerical simulation of ship turning in level ice | |
| Kyung-Ho | A study on the construction of a control system for the evaluation of the speed tracking performance of the personal rapid transit system | |
| Wang et al. | Wavelet neural network applied to fault diagnosis of underwater vehicle | |
| Kuuliala | Feasibility study of a semi-empirical simulation model for level ice breaking | |
| Wang et al. | Assessment of lateral driving stability of automobiles passing by the pylon zone under cross wind | |
| Helmers et al. | Stochastic analysis of impact loads on marine structures | |
| Shen et al. | Prediction of planing craft motion based on grey system theory | |
| Kutler et al. | On the shock-on-shock interaction problem | |
| CN105235676A (zh) | 基于控制分配气垫船多操纵面协调控制方法 |
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 |