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极地物探船冰阻力预报及参数敏感性研究

极地物探船冰阻力预报及参数敏感性研究

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作者：涂勋程江苏科技大学

学位级别：硕士

北极航道随海冰范围和冰厚的减小表现出越来越高的商用价值,在北极航道开辟的大环境下,其资源勘探迫在眉睫,极地物探船也应运而生。由于极地物探船作业的特殊性,每年需往返于极地海域与其他开敞海域,其作业窗口期通常为夏季和秋季,但在... 详细信息

北极航道随海冰范围和冰厚的减小表现出越来越高的商用价值,在北极航道开辟的大环境下,其资源勘探迫在眉睫,极地物探船也应运而生。由于极地物探船作业的特殊性,每年需往返于极地海域与其他开敞海域,其作业窗口期通常为夏季和秋季,但在临近作业窗口期结束时或返航途中极易遭受平整冰冰况,因此极地物探船仍需具有一定的破冰能力。极地海域的浮冰环境和平整冰环境下的不同冰况对船舶阻力会产生极大的影响,而阻力则影响极地物探船作业的拖带能力,这对物探船的经济性和效率起到决定性作用。因此开展极地物探船在浮冰环境和平整冰环境下的冰阻力预报及参数敏感性研究具有重要的工程意义,是极地物探船的设计及优化的核心关键问题。本文通过压力-面积曲线验证了本构模型为弹性断裂失效模型的冰材料,基于Voronoi图对随机分布和不规则几何形状的浮冰开展了参数化建模,并利用遗传算法对浮冰尺度概率分布开展了全局优化研究,最后采用非线性有限元软件LS-Dyna的流固耦合技术对物探船在浮冰环境和平整环境下的冰阻力预报及相关参数敏感性开展了数值模拟研究,并与相关经验公式进行了对比分析,为极地物探船的阻力性能研究提供参考。本文具体研究内容如下:1.根据规范梳理了压力-面积曲线的相关理论,对LS-Dyna在非线性结构分析方面的基本原理进行了分析,基于带有塑性应变失效的弹性断裂失效模型的冰材料,设计开展了钢板挤压球头冰体数值模拟,分析了冰体受压破碎模式、接触面压力分布特点、高压区与低压区的相互转化过程,并最终得到与规范和相关实验数据较为吻合的压力-面积曲线,验证了采用弹性断裂失效模型模拟冰材料的可靠性,为物探船在浮冰环境和平整冰环境的冰阻力预报奠定了基础。2.采用Voronoi图对随机分布和不规则几何形态的浮冰进行了参数化设计,并参照真实冰区环境下浮冰尺度的概率分布规律,基于遗传算法对其进行了全局优化,以获得接近自然环境条件下的浮冰区模型,采用LS-Dyna流固耦合技术对物探船在优化前后的浮冰区航行开展了数值模拟研究,分析了浮冰尺度效应及浮冰尺度概率分布规律对浮冰阻力的影响。研究发现:相比大尺度浮冰,小尺度浮冰具有较高频率的冲击载荷、较大的载荷脉冲宽度和成分占比更高的摩擦阻力,对浮冰阻力起到了明显的加强作用;采用直接基于Voronoi图生成的浮冰区计算所得的浮冰阻力结果过于保守,对浮冰MCD概率分布进行优化能够提高浮冰阻力的数值预报精确度。3.基于中国第五次北极科考观测的海冰空间分布情况,考虑浮冰环境下的敏感性参数(浮冰厚度、浮冰密集度和航速)对物探船冰阻力的影响,采用LS-Dyna流固耦合技术对物探船在浮冰区航行的冰阻力开展数值模拟研究,并选用专业流体软件STAR-CCM+对物探船在不同航速下的敞水阻力进行了计算,分析了各敏感性因素影响下的浮冰阻力变化趋势及浮冰阻力在总阻力中的占比情况。研究发现:浮冰阻力随浮冰密集度、冰厚和航速的提高基本呈线性增加的关系;除20%密集度工况外,其余工况下的浮冰阻力在总阻力中的占比可达到65%以上。4.考虑平整环境下的敏感性参数(航速和平整冰厚度)对物探船破冰阻力的影响,采用LS-Dyna流固耦合技术对物探船在平整冰内航行的冰阻力开展数值模拟研究,分析了物探船破冰过程中的冰层破坏模式和各敏感性因素影响下的冰阻力变化趋势,并将破冰阻力的数值预报结果与Lindqvist经验公式计算值进行了对比分析。研究发现:物探船的破冰阻力随航速和冰厚的提高基本呈线性增加的趋势,不同航速及冰厚条件下的破冰阻力与Lindqvist经验值误差分别在-7.5%3.1%和-10.8%9.4%范围内,本文采用流固耦合方法对物探船破冰阻力预报具有较高可靠性。

关键词：参数化设计遗传算法优化浮冰尺度概率分布冰阻力预报流固耦合

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