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破冰船引航下极地船舶结构冰荷载的离散元分析

刘璐 胡冰 季顺迎

刘璐,胡冰,季顺迎. 破冰船引航下极地船舶结构冰荷载的离散元分析[J]. 水利水运工程学报,2020(3):11-18 doi:  10.12170/20200305001
引用本文: 刘璐,胡冰,季顺迎. 破冰船引航下极地船舶结构冰荷载的离散元分析[J]. 水利水运工程学报,2020(3):11-18 doi:  10.12170/20200305001
(LIU Lu, HU Bing, JI Shunying. Discrete element analysis of ice loads on polar ships under pilotage of icebreaker[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(3): 11-18. (in Chinese)) doi:  10.12170/20200305001
Citation: (LIU Lu, HU Bing, JI Shunying. Discrete element analysis of ice loads on polar ships under pilotage of icebreaker[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(3): 11-18. (in Chinese)) doi:  10.12170/20200305001

破冰船引航下极地船舶结构冰荷载的离散元分析

doi: 10.12170/20200305001
基金项目: 国家重点研发计划重点专项(2017YFE0111400,2016YFC1401505);国家自然科学基金资助项目(51639004,41576179)
详细信息
    作者简介:

    刘 璐(1990—),男,江西九江人,博士,主要从事离散元方法及工程应用研究。E-mail:liulu@dlut.edu.cn

    通讯作者:

    季顺迎(E-mail:jisy@dlut.edu.cn)

  • 中图分类号: U661.4

Discrete element analysis of ice loads on polar ships under pilotage of icebreaker

  • 摘要: 采用破冰船引航的方式可有效保障商船在极地冰区的航行安全。通过基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体构造任意形态的海冰单元,同时发展基于扩展多面体单元的粘结失效模型模拟海冰的破碎过程,从而建立基于扩展多面体的离散元方法。采用扩展多面体离散元方法模拟船舶冰区航行过程中的船-冰相互作用,并分析船舶结构上的冰载荷。根据“雪龙号”船体结构模型,采用扩展多面体离散元方法模拟了单船破冰条件下的冰荷载,通过船舶抗冰设计中常用的冰阻力Lindqvist公式和Riska公式校核离散元计算结果。对比结果表明,扩展多面体离散元方法与相关公式计算结果相近,对船舶结构冰荷载的模拟精度较好。采用离散元方法计算了引航条件下破冰船和货船上的冰荷载,分析不同航速和船宽比条件下两船上的冰阻力大小和特点。扩展多面体离散元方法可有效用于船舶结构的冰荷载分析,其计算结果可为冰区船舶设计和航行安全提供重要参考。
  • 图  1  基于闵可夫斯基和的扩展多面体

    Figure  1.  Dilated polyhedron based on Minkowski sum

    图  2  2D-Voronoi切割算法生成海冰单元

    Figure  2.  Sea ice element based on 2D-Voronoi tessellation algorithm

    图  3  相邻单元在交界面上的粘结作用

    Figure  3.  Bonding on interface between adjacent elements

    图  4  雪龙号破冰船与平整冰作用的离散元模拟

    Figure  4.  Simulation sketch of the interaction between icebreaker Xuelong and level ice

    图  5  3个方向的船体冰荷载时程曲线

    Figure  5.  Time history of ice loads on ship hull in three directions

    图  6  船体冰荷载的离散元计算结果与经验公式对比

    Figure  6.  Comparison between DEM result and empirical formulas of ice loads on ship hull

    图  7  货船结构

    Figure  7.  Hull structure of cargo ship

    图  8  有无破冰船引航条件下船舶结构冰载荷时程曲线

    Figure  8.  Time history of ice loads on ship hulls with and without icebreaker pilotage

    图  9  不同工况下破冰船和货船的冰阻力

    Figure  9.  Ice resistance on icebreaker and cargo ship under different conditions

    表  1  船舶结构破冰过程模拟的主要计算参数

    Table  1.   Main parameters in the simulation of icebreaking process of ship hull

    参数取值参数取值参数取值
    海冰弹性模量(E)1.0 GPaI型-断裂能($G_{\rm{I}}^{\rm{c}}$)10 N/m海冰单元平均尺寸(D)2 m
    海冰摩擦系数(μ)0.2II型-断裂能($G_{{\rm{II}}}^{\rm{c}}$)13 N/m海水密度(ρw)1 035 kg/m3
    海冰回弹系数(e)0.3海冰与船体的摩擦系数(μice-ship)0.1拖曳力系数($C_{\rm{d}}^{\rm{F}}$)0.6
    法向粘结强度(σn)0.6 MPa海冰与船体的回弹系数(eice-ship)0.3拖曳力矩系数($C_{\rm{d}}^{\rm{M}}$)0.03
    切向粘结强度(σs)2.0 MPa
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-05
  • 网络出版日期:  2020-06-15
  • 刊出日期:  2020-06-01

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