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冰块尺寸对碎冰区船舶结构冰阻力影响的离散元分析

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计算力学学报 2024年

作者：张鑫奥俞赟杨冬宝刘璐季顺迎大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连理工大学船舶工程学院中国船舶及海洋工程设计研究院

船舶在碎冰区航行时的冰阻力会影响船舶的安全性和航行性能。本文以“雪龙”号破冰船为研究对象，采用三维离散元方法对碎冰环境下船体结构冰阻力进行数值模拟。基于随机生成算法对不规则形状的碎冰区进行参数化建模以形成复杂的碎冰初... 详细信息

船舶在碎冰区航行时的冰阻力会影响船舶的安全性和航行性能。本文以“雪龙”号破冰船为研究对象，采用三维离散元方法对碎冰环境下船体结构冰阻力进行数值模拟。基于随机生成算法对不规则形状的碎冰区进行参数化建模以形成复杂的碎冰初始场，同时考虑了海水对船体结构的作用力建立船体碎冰阻力的计算模型，并将离散元计算结果与碎冰区Dubrovin冰阻力计算公式进行对比。在此基础上将冰块尺寸进行无量纲化，研究不同冰厚和航速下冰块尺寸对碎冰阻力的影响规律。以平整冰区船体冰阻力的Lindqvist公式为参照，得到碎冰向层冰转化的临界尺度。该浮冰临界尺寸可作为识别碎冰区与平整冰的判据。本文研究工作可为船舶在极地冰区的安全航行提供一定的参考。

关键词：破冰船离散元方法碎冰区冰块尺寸冰阻力

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冰区船载荷识别不确定性的区间分析方法

船舶工程 2024年第S1期 416-420+426页

作者：孔帅何帅康雷建奇季顺迎中国船舶科学研究中心深海技术科学太湖实验室大连理工大学

冰载荷识别的适定求解是冰区船实尺度监测反演的核心，针对信息不完备条件下冰载荷识别问题，面向识别结果不确定性评估建立区间分析理论的非概率性方法。采用形函数表征冰载荷快速识别模型中冰激时域响应。基于Taylor展开及区间扩张理... 详细信息

冰载荷识别的适定求解是冰区船实尺度监测反演的核心，针对信息不完备条件下冰载荷识别问题，面向识别结果不确定性评估建立区间分析理论的非概率性方法。采用形函数表征冰载荷快速识别模型中冰激时域响应。基于Taylor展开及区间扩张理论建立冰载荷识别不确定性估计的区间分析方法。采用分析识别计及结构参数及测试信号双不确定特征的冰载荷界值。提出的预报方法能较为有效识别出涵盖冰载荷真值的区间解，可为冰区船研发设计及安全预警提供更为可靠的冰载荷工况。

关键词：冰载荷不确定性分析区间分析形函数冰区船

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极地海冰动力过程的多面体离散元方法

计算力学学报 2024年

作者：李继王嗣强王安良季顺迎大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室国家海洋环境预报中心

极地海冰影响局部海域的通航条件乃至地质尺度上的气候预测，由于基于连续介质理论的海冰数值模式如网格方法难以应对浮冰尺度的模拟，近年来离散元方法越来越多用于海冰动力学领域。本文使用基于表面网格划分的多面体描述浮冰，通过使... 详细信息

极地海冰影响局部海域的通航条件乃至地质尺度上的气候预测，由于基于连续介质理论的海冰数值模式如网格方法难以应对浮冰尺度的模拟，近年来离散元方法越来越多用于海冰动力学领域。本文使用基于表面网格划分的多面体描述浮冰，通过使用Gilbert-Johnson-Keerthi(GJK)算法以进行初步接触判断并提高计算效率，采用基于能量守恒接触理论确定单元间接触力，由此建立了极地海冰多面体离散元方法。将该方法应用于极地海冰动力过程模拟，并考虑Hopkins提出的冰脊形成导致的海冰间塑性接触力。首先通过两个浮冰间碰撞模拟以验证接触力计算的正确性，再通过对单向均匀风场下浮冰挤压的模拟验证冰脊生成的模拟能力，最后研究冻结强度参数对剪切风场下冰盖断裂和冰脊生成的影响。结果表明：极地海冰多面体离散元方法能够合理地反映地质尺度海冰的动力过程，并且可有效地模拟冰盖线性运动引起的冰隙和冰脊等动力特征。

关键词：海冰动力学离散元方法冰脊模型海冰断裂

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极地海冰动力过程的多面体离散元方法

计算力学学报 2024年第4期41卷 651-658页

作者：李继王嗣强王安良季顺迎大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连 116024 国家海洋环境预报中心北京 100081

极地海冰影响局部海域的通航条件乃至地质尺度上的气候预测,由于基于连续介质理论的海冰数值模式如网格方法难以应对浮冰尺度的模拟,近年来离散元方法越来越多用于海冰动力学领域.本文使用基于表面网格划分的多面体描述浮冰,通过使用GJK... 详细信息

极地海冰影响局部海域的通航条件乃至地质尺度上的气候预测,由于基于连续介质理论的海冰数值模式如网格方法难以应对浮冰尺度的模拟,近年来离散元方法越来越多用于海冰动力学领域.本文使用基于表面网格划分的多面体描述浮冰,通过使用GJK(Gilbert-Johnson-Keerthi)算法以进行初步接触判断并提高计算效率,采用基于能量守恒接触理论确定单元间接触力,由此建立了极地海冰多面体离散元方法.将该方法应用于极地海冰动力过程模拟,并考虑Hopkins提出的冰脊形成导致的海冰间塑性接触力.首先通过两个浮冰间碰撞模拟以验证接触力计算的正确性,再通过对单向均匀风场下浮冰挤压的模拟验证冰脊生成的模拟能力,最后研究冻结强度参数对剪切风场下冰盖断裂和冰脊生成的影响.结果表明,极地海冰多面体离散元方法能够合理地反映地质尺度海冰的动力过程,并且可有效地模拟冰盖线性运动引起的冰隙和冰脊等动力特征.

关键词：海冰动力学离散元方法冰脊模型海冰断裂

极地半潜式海洋平台在不同环境载荷下的动态响应分析

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船舶力学 2024年第3期28卷 422-434页

作者：张奥博闯振菊刘社文李春郑季顺迎屈衍大连海事大学船舶与海洋工程学院辽宁大连116026 上海勘探设计研究院有限公司上海200335 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024 华南理工大学海洋科学与工程学院广州511442

北极地区拥有丰富的油气资源,在该海域进行油气资源的开发和利用具有巨大的发展前景,但也极具挑战性。当前海洋平台的设计规范并未充分考虑海冰的影响。北极海域存在无冰期和有冰期,为了实现平台全年在海上进行作业,需要联合考虑波浪载... 详细信息

北极地区拥有丰富的油气资源,在该海域进行油气资源的开发和利用具有巨大的发展前景,但也极具挑战性。当前海洋平台的设计规范并未充分考虑海冰的影响。北极海域存在无冰期和有冰期,为了实现平台全年在海上进行作业,需要联合考虑波浪载荷和冰载荷的作用。本文研究某半潜式海洋平台在波浪、平整冰以及碎冰不同工况下的动态响应,采用势流理论和莫里森方程计算波浪载荷,利用离散元方法求解冰载荷,使用细长体有限元的方法分析锚泊系统,通过非线性时域计算求解得出平台的运动以及锚泊系统受力。结果显示:相较于其他环境载荷,平整冰作用下锚链的张力最大;在较小的海冰厚度、海冰密集度和冰块平均面积下的碎冰区,平台的运动符合现行安全规范。本文的研究可为北极地区油气资源的安全开发提供参考价值。

关键词：北极油气资源半潜式海洋平台波浪载荷冰载荷冰与结构相互作用

随着全球气候的变暖破冰船在北极航道的战略意义

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中国战略新兴产业 2024年第8期 121-123页

作者：陆一木季顺迎大连理工大学

北极，地球上最后的边疆，正面临前所未有的变化。作为全球气候系统的重要组成部分，这片遥远而神秘的地域承载着关键的气候变量，对全球气候模式产生深远的影响。文章旨在探讨破冰船作为一种战略工具在北极地区的重要性。特别是破冰船... 详细信息

北极，地球上最后的边疆，正面临前所未有的变化。作为全球气候系统的重要组成部分，这片遥远而神秘的地域承载着关键的气候变量，对全球气候模式产生深远的影响。文章旨在探讨破冰船作为一种战略工具在北极地区的重要性。特别是破冰船在北极航道开放、资源开发和地缘政治中的作用，以及它们如何促进该地区的可持续发展。研究表明，破冰船技术的发展不仅提高了北极航道的可通行性，还在资源开发和应对环境挑战方面发挥了关键作用。破冰船作为一种重要的战略工具，在北极地区的开发、保护和国际合作中扮演着关键角色。研究结果强调了在开发北极资源和利用航道的同时，需要平衡环境保护和地缘政治考量，这对于制定未来的北极政策和国际合作策略具有重要指导意义。

关键词：破冰船北极航道资源开发地缘政治可持续发展

基于DEM-SPH流固耦合的冰区船舶快速性预报

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船舶 2024年第1期35卷 70-83页

作者：吴捷刘璐田于逵季顺迎大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连116024 大连理工大学船舶工程学院大连116024 中国船舶科学研究中心无锡214082 深海技术科学太湖实验室无锡214082

船舶在冰区海域中航行会受到冰水环境阻力的影响,是冰区船舶快速性研究中的重要影响因素。为合理分析冰区船舶的快速性能,该文采用基于离散元(discrete element method,DEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)... 详细信息

船舶在冰区海域中航行会受到冰水环境阻力的影响,是冰区船舶快速性研究中的重要影响因素。为合理分析冰区船舶的快速性能,该文采用基于离散元(discrete element method,DEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法的流固耦合模型模拟船舶冰区航行过程,获得不同航速下的船舶阻力和推进力,进一步计算出螺旋桨的推力、扭矩以及定速航行所需的螺旋桨转速等参数。为研究船体结构、海冰与海水之间的流固耦合作用,文中通过SPH粒子与固定粒子边界相对运动的拟合项直接计算固体与流体之间的相互作用力,建立船体结构、海冰与海水耦合的DEM-SPH模型,并基于该模型分别对船舶在冰区的航行阻力和推进力进行模拟,通过拟合的方式匹配航行阻力和推进力,并考虑尾部流场导致的船体阻力增额,从而预报船舶在特定航速下实现自航所需的螺旋桨转速。此外,文中还模拟了DTMB 5415船模在浮冰区和层冰区中航行的阻力和不同螺旋桨转速下的推力,对船模在不同工况下实现特定航速航行所需的螺旋桨转速进行了预报。计算结果表明:DEM-SPH耦合模型对船-冰、桨-冰作用中的流固耦合过程模拟效果出色,可完整描述船体及尾部伴流场对海冰的拖曳作用;通过文中所述阻力-推力模拟算例及强制力的拟合分析,所形成的基于数值模拟方法的船舶自航下螺旋桨转速预报,可为进一步的试验验证和工程应用推广奠定基础。

关键词：冰区船舶 DEM-SPH流固耦合离散元方法船体阻力螺旋桨推力

船舶结构冰载荷的监测识别方法及时空特性分析

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中国造船 2023年第4期64卷 41-56页

作者：王键伟袁奎霖季顺迎大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连116023 大连理工大学船舶工程学院大连116023

冰载荷是主导极地船舶结构抗冰设计的环境载荷,对冰激应变的实船测量是获取冰载荷的重要途径。在我国北极科考期间,对“雪龙2”号极地考察船开展了冰载荷现场监测。论文基于对正应变测点布放位置敏感性的分析,合理制定光纤光栅传感器的... 详细信息

冰载荷是主导极地船舶结构抗冰设计的环境载荷,对冰激应变的实船测量是获取冰载荷的重要途径。在我国北极科考期间,对“雪龙2”号极地考察船开展了冰载荷现场监测。论文基于对正应变测点布放位置敏感性的分析,合理制定光纤光栅传感器的安装方案,采用影响系数矩阵法对冰载荷进行识别。在此基础上,针对平整冰区冲撞式破冰工况下冰载荷的整体和局部时空分布特性开展研究。结果表明:肋骨腹板上靠近且垂直于外板的挤压正应变比平行于外板的弯曲正应变更适合于作为冰激应变的观测量;海冰沿船体表面擦碰及受船体下压作用而发生弯曲破坏,冰载荷在船体首肩部呈现自水线下潜至船底的整体空间移动特性;高压力区形状和面积变化不明显、组成部分缺失以及主次压力区转换等瞬时演变形式分别是海冰纯挤压、剥落和非同时挤压等局部破坏模式的外在表现。结果可为船舶结构冰载荷的监测识别技术与时空分布特性研究提供参考。

关键词：船舶结构现场测量冰载荷识别时空分布冰激应变

转动驱动圆角立方体颗粒有序堆积的离散元模拟

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力学学报 2022年第2期54卷 336-346页

作者：张祺乔婷季顺迎厚美瑛中国科学院物理研究所北京100080 太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116023

宏观颗粒体系的有序堆积研究可以为热系统中微观粒子的自组装提供研究模型,也有助于工业生产中提高颗粒材料的填充率.实验发现圆筒中的圆角立方体颗粒受容器往复旋转剪切作用会实现有序堆积.为探究旋转圆筒中立方体颗粒有序堆积过程的... 详细信息

宏观颗粒体系的有序堆积研究可以为热系统中微观粒子的自组装提供研究模型,也有助于工业生产中提高颗粒材料的填充率.实验发现圆筒中的圆角立方体颗粒受容器往复旋转剪切作用会实现有序堆积.为探究旋转圆筒中立方体颗粒有序堆积过程的内部结构演化过程和动力学机理,采用超二次曲面方程构造了圆角立方体颗粒,基于离散元方法对旋转剪切作用下圆角立方体颗粒有序堆积过程开展数值模拟研究.模拟复现了实验中立方体颗粒从随机堆积状态向有序致密堆积状态转变的过程,给出了体积分数和有序度参数在容器不同运动条件下随旋转次数增加的变化规律.结果表明,立方体颗粒的体积分数和有序度表现为随着容器旋转次数增加而逐渐增大直至稳定的变化趋势.体系的有序堆积过程由外层颗粒开始逐渐向内部颗粒扩展.通过调控容器旋转角位移发现颗粒完成有序堆积过程所需的特征旋转次数与容器旋转角位移呈现反比例关系.旋转角位移过低,体系只会形成两种颗粒团簇共存的结构,即某一面平行容器底面的颗粒团簇与面对角线平行重力方向的颗粒团簇共存.研究也发现在亚重力环境下立方体颗粒同样可以通过容器的旋转实现有序堆积.重力加速度的减少会抑制立方体颗粒从无序堆积向有序堆积的转变.

关键词：离散元方法立方体颗粒有序堆积微重力