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冰区船舶海水系统及海底门设计

广船科技 2023年第3期43卷 38-39,12页

作者：娄海江立军广船国际技术中心、生产管理中心

介绍了冰区船舶海水系统的设计要点,并对其中海底门的布置、海水循环管路和应急海水冷却系统进行详细分析说明,为今后的冰区船舶设计提供了参考。

关键词：冰区船舶海水系统海底门

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冰区船舶结构疲劳强度分析方法研究

冰区船舶结构疲劳强度分析方法研究

作者：戴泽宇大连理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着全球变暖趋势的加剧,极区海冰的迅速消融为冰区船舶在极地海域的航行活动提供了便利,极地渔业随之兴起以应对海洋渔业资源逐步衰退的局面。冰区船舶长期在极区海域作业,不仅遭受恶劣的波浪海况,还在所难免地会与航道内的碎... 详细信息

近年来,随着全球变暖趋势的加剧,极区海冰的迅速消融为冰区船舶在极地海域的航行活动提供了便利,极地渔业随之兴起以应对海洋渔业资源逐步衰退的局面。冰区船舶长期在极区海域作业,不仅遭受恶劣的波浪海况,还在所难免地会与航道内的碎冰发生碰撞,这些极易引起船体结构的疲劳破坏。由于南极地区缺乏光照、温度极低以及受大风影响等因素,一旦船舶发生结构破坏,泄漏产生的污染将难以清除。因此,冰区船舶结构的疲劳强度评估问题变得非常重要。本文以某南极磷虾捕捞船为研究对象,分别研究了波浪载荷和船-冰碰撞冰载荷作用下冰区船舶疲劳损伤评估方法,从而对整个设计寿命周期内关键节点的疲劳寿命进行预报,研究结果可为冰区船舶结构的抗疲劳设计与结构优化提供参考。本文的主要工作内容如下:1.简述了波浪载荷作用下船体结构疲劳强度分析的具体流程,介绍了谱分析法的基本原理并推导了疲劳损伤度的计算表达式。2.建立全船有限元模型,结合CCS疲劳强度规范以及结构应力分析结果,在船肩部位筛选疲劳热点,通过三维势流理论计算规则波作用下的波浪载荷与船体运动并传递到全船结构模型上,提取热点处不同波浪频率和浪向的应力传递函数,基于S-N曲线和线性疲劳累积损伤准则对波浪海况下典型部位疲劳损伤进行评估。3.建立了船艏与碎冰碰撞数值模拟模型,得到多种工况下冰载荷和船体结构应力响应的时程曲线,通过与国内外发表的冰载荷实测结果以及模型试验结果进行对比,验证了仿真结果的有效性。运用瑞利分离法对各个工况下的热点应力时程曲线进行计数统计,根据疲劳累积损伤度表达式对冰载荷作用下的典型节点疲劳损伤进行评估。4.根据疲劳工况将波浪载荷和冰载荷作用下的疲劳损伤度进行加权计算,对典型节点在整个设计寿命周期内的疲劳强度展开校核。

关键词：冰区船舶船-冰碰撞疲劳强度分析谱分析法瑞利分离法

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冰区船舶冰载荷及船体结构优化

船舶物资与市场 2024年第5期32卷 19-21页

作者：谢名扬湖南湘船重工有限公司湖南长沙410204

冰区航行是在极寒气候和冰冻海域中航行的船舶活动,其受力环境与常规航行有着显著差异。冰区航行的特殊性和挑战性使得冰载荷及船体结构优化成为当前航海工程领域的热点研究方向。冰区航行不仅与极地资源勘探、海上运输、旅游观光等密... 详细信息

冰区航行是在极寒气候和冰冻海域中航行的船舶活动,其受力环境与常规航行有着显著差异。冰区航行的特殊性和挑战性使得冰载荷及船体结构优化成为当前航海工程领域的热点研究方向。冰区航行不仅与极地资源勘探、海上运输、旅游观光等密切相关,还对域内外国家的经济发展和战略安全具有重要影响。本文将综合探讨冰载荷的来源和作用机理,分析冰与船舶结构的相互作用,以及冰载荷的分析方法和计算模型。期望能为冰区航运提供更加可靠和高效的解决方案。

关键词：冰区船舶冰载荷船体结构

冰区船舶海水换热管道中海水冰浆热流动特性研究

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冰区船舶海水换热管道中海水冰浆热流动特性研究

作者：黄长绪武汉理工大学

学位级别：硕士

根据“永盛”轮北极调研资料,跟在破冰船后面航行船舶的海水系统极易吸入海水与冰晶形成的海水冰浆流体。相对于只有海水的情况,冰晶颗粒的存在会对海水系统换热管道中流体的流动与传热造成一定程度的影响,进而影响到船舶动力系统运行... 详细信息

根据“永盛”轮北极调研资料,跟在破冰船后面航行船舶的海水系统极易吸入海水与冰晶形成的海水冰浆流体。相对于只有海水的情况,冰晶颗粒的存在会对海水系统换热管道中流体的流动与传热造成一定程度的影响,进而影响到船舶动力系统运行的平稳性。因此,探索海水-冰晶两相流在换热管中的流动传热特性对极地船舶安全航行及其相关系统设计具有重要指导意义与实用价值。鉴于上述目标,搭建了海水冰浆流动与传热综合实验平台,便于直观认识海水-冰晶两相流浆体流动物理情景,并为构建的数值模型可靠性提供实验数据支撑。基于颗粒流体动力学,考虑海水-冰晶两相流的固液特征,建立了适用于海水-冰晶两相流的欧拉-欧拉双流体模型,通过编译UDF程序,在FLUENT中将相间传热传质模型嵌入欧拉-欧拉双流体模型,以探讨海水-冰晶两相流在管道内非等温流动过程中流动和传热特性。研究结果表明,流动过程中冰晶颗粒的摩擦损失主要包含粘性摩擦和机械摩擦,因此海水-冰晶两相流体的流动压降随入口含冰率(IPF)与速度的增加而升高。流动摩擦系数随Re的增加而逐渐减小,随入口IPF的增加而增大。并且数值计算值与实验值、理论公式计算值均取得较好一致性。冰晶的相变特性对流动压降产生明显的影响,在速度较低时冰晶的相变特性对压降的影响更显著。随入口速度与IPF的增加其浓度场与速度场呈现对称分布趋势。较大直径的冰晶颗粒会导致冰晶速度场与浓度场产生非均匀分布趋势。此外,实验与数值结果表明,海水-冰晶两相流体在管内的非等温流动分三种流型:拟均质流、非均质流与移动床。由实验获得避免出现移动床的安全临界速度为0.9 m·s。在热流动发展的入口段由于热边界层薄,局部平均传热系数较高之后沿流动方向迅速降低,在完全发展区域接近为恒定。在入口IPF=00%、U=1.0.0 m·s范围内,局部平均传热系数随入口流速和IPF增加先增加最终趋于稳定。增加入口IPF,并不总是可以增强传热。相对于单相流,海水-冰晶的局部平均传热系数提高约1.54倍。冰晶的传质率与流体温度在管道中的分布特征受冰晶在管内分布的影响。由于管道顶部冰晶体积分数较高,使得该区域冰晶相变对传热增强的贡献提高,导致管道顶部的温度显著低于底部。

关键词：冰区船舶海水系统冰晶流动传热特性实验与数值计算

冰区船舶在层冰与碎冰区航行数值模拟方法研究

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冰区船舶在层冰与碎冰区航行数值模拟方法研究

作者：王键伟哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

近年来,随着全球气候的变暖,南北两极的冰川日益消融,一条“传说中的航道”——北极航道的开通逐渐由梦想变为现实。冰区船舶迎来了前所未有的发展机遇。冰区船舶的破冰原理、航行特点、冰载荷等方面已成为研究热点。而冰区船舶与层冰... 详细信息

近年来,随着全球气候的变暖,南北两极的冰川日益消融,一条“传说中的航道”——北极航道的开通逐渐由梦想变为现实。冰区船舶迎来了前所未有的发展机遇。冰区船舶的破冰原理、航行特点、冰载荷等方面已成为研究热点。而冰区船舶与层冰和碎冰的相互作用是航行过程中的常见情形,也是本文的研究重点。本文的工作主要包括如下五方面:(1)研究冰区船舶的航行特点。基于MMG分离建模思想,建立包含冰载荷、惯性类流体动力、粘性类流体动力、螺旋桨推力、舵力的MMG破冰运动方程组。(2)研究海冰的破坏形式。分析船-冰接触面倾角对海冰破坏形式的影响,建立海冰的动态弯曲破坏模型与挤压破坏模型,确定两种破坏形式在船-冰接触过程中发生的时机、部位、转换关系,提出更加真实的船-冰作用模型。(3)研究海冰的断裂过程。分析海冰的弹性弯曲与二次断裂对破冰力的影响,引入动态弯曲破坏准则与挤压破坏准则,分析加载速率对海冰极限弯曲载荷的影响,提出更加完善的冰载荷数值预报方法。(4)模拟冰区船舶在层冰区航行。使用MATLAB对冰区船舶在层冰区的自由直航与自由回转运动进行数值模拟,并验证数值模拟方法的准确性。在此基础上,研究层冰的破坏准则与二次断裂对数值模拟结果的影响,分析艏部参数对破冰能力的影响。(5)模拟冰区船舶在碎冰区航行。基于离散元思想,使用PFC和MAXSURF对冰区船舶在碎冰区的匀速直航运动进行数值模拟,并结合现有的碎冰阻力模型试验,验证数值模拟方法的准确性。在此基础上,研究航速与冰况对碎冰阻力的影响。

关键词：冰区船舶冰载荷数值模拟破冰运动海冰

基于蚁群-滚动窗口混合算法的冰区船舶航线规划

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基于蚁群-滚动窗口混合算法的冰区船舶航线规划

作者：刘文博哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

自20世纪末开始,全球变暖的加速导致北冰洋中海冰的融化速度加快,而航运技术的发展使得北极地区的丰富资源得以开发,因此北极地区的政治、经济和军事战略地位日益显著,并吸引了各国学者的关注。然而,船舶在北极海域航行时面临着诸如多... 详细信息

自20世纪末开始,全球变暖的加速导致北冰洋中海冰的融化速度加快,而航运技术的发展使得北极地区的丰富资源得以开发,因此北极地区的政治、经济和军事战略地位日益显著,并吸引了各国学者的关注。然而,船舶在北极海域航行时面临着诸如多冰、极端低温和高纬度等复杂环境,若航线规划不当,容易导致冰区船舶发生船-冰相撞或被冰困等事故。因此,本文针对北极海域中的静态和动态障碍物进行环境建模,并在此基础上规划航线,以确保冰区船舶能够安全、快速地完成航行任务。本文的具体研究内容如下:(1)北极海域的环境建模。北极海域作为一个极端环境,其复杂性和危险性为冰区船舶的航行带来了巨大的挑战,在对北极海域的航行环境进行分析后,将需要避让的障碍物分为静态和动态两类,采用栅格法对静态障碍物进行建模,在建模过程中,将北极海域中的多年冰层、大型冰山和岛礁等静态障碍物映射到地图中对其进行膨化处理,并在此基础上添加诸如流冰群等动态障碍物从而完成北极海域环境模型的建立。(2)冰区船舶的全局航线规划。针对传统蚁群算法在搜索路径时存在收敛速度慢、求解质量差等问题,本文提出了改进的蚁群算法以解决其在搜索过程中出现的不足,并在不同规模和复杂度的环境模型下验证了改进算法的可行性,通过改进蚁群算法完成了冰区船舶全局航线的规划。(3)冰区船舶的局部航线优化。首先采用了冗余节点删除算法,将全局航线中不必要的节点进行剔除,减少了搜索空间的复杂度,并将剩余的路径节点依次作为待规划的子目标,采用改进的滚动窗口算法对局部航线进行优化,从而实现了冰区船舶对未知障碍物和动态障碍物的规避。本文对蚁群算法和滚动窗口算法的局限性进行了研究,并针对其不足提出了改进措施,在栅格环境模型的基础上,采用改进蚁群算法规划冰区船舶的全局航线,并基于改进动态窗口算法对局部航线进行优化。通过分析仿真模拟结果,证明混合算法规划出的航线不但能够满足冰区船舶的实际运动需求,而且能够有效地规避环境中的全部障碍物,实现了安全、高效的航线规划。

关键词：冰区船舶航线规划蚁群算法滚动窗口算法

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波浪-浮冰作用下冰区船舶阻力性能试验

哈尔滨工程大学学报 2017年第10期38卷 1511-1517页

作者：郭春雨王帅田太平徐佩哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001

太原为了研究波浪-浮冰联合作用下冰区船舶阻力性能,本文依托具有造波能力的常规船模拖曳水池,采用石蜡非冻结模型冰,模拟冰缘区波浪-浮冰共存的特殊环境,设计完成了船模在波浪-浮冰联合作用下的阻力性能测量试验。研究发现:在波浪-浮... 详细信息

太原为了研究波浪-浮冰联合作用下冰区船舶阻力性能,本文依托具有造波能力的常规船模拖曳水池,采用石蜡非冻结模型冰,模拟冰缘区波浪-浮冰共存的特殊环境,设计完成了船模在波浪-浮冰联合作用下的阻力性能测量试验。研究发现:在波浪-浮冰共同作用下,浮冰与船模的相互作用加剧,从船艏没入水中并沿船底向艉部滑行的浮冰数量明显增多,可能会对螺旋桨的推进效率产生不利影响。同时,由于波浪-浮冰-船模三者的耦合作用,船模在该工况的总阻力等于静水阻力、波浪增阻和碎冰阻力的简单加和,还需要考虑三者耦合作用的阻力增量。波高以及浮冰的密集度等参数都会对耦合增阻的大小产生影响。

关键词：波浪浮冰冰区船舶模型试验阻力性能造波拖曳螺旋桨波高

基于AMESim的冰区船舶轴系扭转振动仿真

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中国造船 2016年第2期57卷 45-55页

作者：杨红军王文中郑忠张维竞车驰东上海船舶研究设计院上海201203 上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 新世纪造船有限公司江苏省泰州市214504

用AMESim软件建立轴系冰载荷扭转振动仿真模型,对一艘1A冰级多用途船推进轴系进行仿真计算。考虑柴油机调速器对冰载荷冲击导致的轴系转速下降的响应,且柴油机的气体激励力矩和往复惯性力矩随轴系转速的变化而变化。将AMESim的计算结果... 详细信息

用AMESim软件建立轴系冰载荷扭转振动仿真模型,对一艘1A冰级多用途船推进轴系进行仿真计算。考虑柴油机调速器对冰载荷冲击导致的轴系转速下降的响应,且柴油机的气体激励力矩和往复惯性力矩随轴系转速的变化而变化。将AMESim的计算结果与系统矩阵法的计算结果作对比,以验证其可靠性。对冰载荷扭转冲击进行了仿真。结果表明,在冰载荷冲击下,轴系转速有很大的下降,当转速下降到柴油机主谐次临界转速附近时,冰载荷激励和主谐次激励出现瞬态叠加,扭转振动响应达到最大值。此外,修改柴油机扭矩限制以提高扭矩余量,这是减少速度下降的有效方法。

关键词：冰区船舶扭转振动仿真 AMESim

冰区船舶在碎冰区及平整冰区航行阻力数值模拟研究

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冰区船舶在碎冰区及平整冰区航行阻力数值模拟研究

作者：田太平哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着全球变暖,北极地区油气勘探开发和船舶运输的增加,冰区船舶在极地水域的作业、航行活动显著增加。对于冰区船舶航行来说,在保证安全、经济的前提下,需满足在一定厚度的平整冰或一定密集度的碎冰区中保持合理的速度,并保证在更高级... 详细信息

随着全球变暖,北极地区油气勘探开发和船舶运输的增加,冰区船舶在极地水域的作业、航行活动显著增加。对于冰区船舶航行来说,在保证安全、经济的前提下,需满足在一定厚度的平整冰或一定密集度的碎冰区中保持合理的速度,并保证在更高级的冰况中航行。在设计阶段进行冰区船舶性能评估,对冰阻进行合理的估计,显得极其的重要。本文在总结前人的基础上,结合模型试验与数值模拟,在数值方法上进行改进,实现了冰区船舶性能预报,完成了船舶-碎冰、船舶-平整冰相互作用分析研究。完成了碎冰区船舶航行性能关键问题的模型试验和数值模拟研究。利用石蜡模型冰模拟极地碎冰环境,完成了 6个航速、3种密集度(60%、80%、90%)的阻力测量和现象观测。同时,采用有限元软件LSDYNA对碎冰条件下的船舶航行性能进行数值仿真,重点考虑了水的浮力影响,利用ALE方法实现了船-碎冰-水-空气四者的耦合计算。两者结果均表明:船舶-碎冰之间碰撞导致碎冰发生堆积、翻转、滑移以及船后尾迹碎冰分布等现象,且剧烈程度受不同大小的航速、碎冰密集度影响;同时,船模阻力随遭遇的碎冰密集度和船模航行速度的增大而增大,船冰之间作用更加剧烈;船模与碎冰碰撞应力主要集中在船艏部位,且航行方向的冰载荷最大;数值模拟与模型试验均能很好地实现碎冰条件下船舶航行性能预报,为冰区运输船设计提供技术参考。对平整冰区条件下的破冰船航行过程进行有限元数值模拟研究,利用LSDYNA软件的ALE方法、侵蚀接触算法、罚函数法,重点考虑水的浮力和HJC冰材料模型选择及材料屈服准则,实现了模型冰厚37.5mm(实际冰厚1.5m)、4个船模航速的数值仿真分析。数值模拟结果与天津大学冰工程试验室完成的船模冰阻力试验结果对比分析,表明:平整冰条件下船模阻力随航速的增大而增大,其不同破冰速度下的冰破坏模式不一样。分析了破冰船-平整冰相互作用过程,通过平整冰的应力传播规律得到平整冰的裂纹扩展模式。同时,对船体三个方向所受的冰载荷进行傅里叶变化分析,可为冰激振动、船体设计做参考。有限元数值方法,能够准确模拟平整冰的破坏模式,实现平整冰条件下的破冰船航行性能预报。对国外相关学者提出的对船模阻力成分经验式进行理论研究,同时对两种不同船型进行碎冰条件下的阻力试验,分析了其碎冰阻力成分占总阻力的比例,表明船艏兴波有助降低冰阻力成分。

关键词：冰区船舶船模阻力有限元方法流固耦合碎冰区平整冰区