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破冰船破冰载荷与破冰能力计算方法研究

破冰船破冰载荷与破冰能力计算方法研究

作者：何菲菲哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

近年来,随着寒冷地带海洋石油资源的开发和极地科学考察的不断发展,破冰船肩负起开辟航道、极地救援、物资供给等重要任务。因此设计性能优越的破冰船越来越受到人们的关注。由于海冰特性的复杂性和破冰船作业环境的特殊性,导致关于破... 详细信息

近年来,随着寒冷地带海洋石油资源的开发和极地科学考察的不断发展,破冰船肩负起开辟航道、极地救援、物资供给等重要任务。因此设计性能优越的破冰船越来越受到人们的关注。由于海冰特性的复杂性和破冰船作业环境的特殊性,导致关于破冰船方面的理论研究进展缓慢,各国学者大都采用由实验得到的经验公式预报破冰船的运动和载荷。因此,人们越来越希望从理论上建立一套预报破冰船受到的冰载荷、船体运动响应以及破冰能力的方法。基于上述背景,本文分别采用理论和数值仿真方法对以上问题进行了研究,主要研究工作如下：1、在总结海冰的物理力学特性,分析海冰与破冰船相互作用的形式和破坏模式的基础上,根据弹性力学理论,建立了一种适合于工程计算的破冰载荷的理论方法。2、考虑“连续式”破冰法下破冰载荷随时间的变化规律,建立破冰船三自由度运动方程,在时域范围内求解该方程得到破冰船的运动响应和破冰能力。3、基于显式非线性有限元法的基本理论和关键技术,探索破冰船冲撞冰层的有限元数值仿真方法。

关键词：破冰船破冰载荷连续破冰能力运动响应有限元数值仿真

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破冰船冰载荷及运动响应研究

破冰船冰载荷及运动响应研究

作者：温冈果哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

南北两极蕴藏着丰富的自然资源,是未来重要的能源资源基地。且南北两极蕴含着十分巨大的经济、政治、军事利益,探索和开发南北两极具有重要的战略意义。因此作为探索和开发极地地区的主要载体,破冰船的研究对我国的战略和经济发展有着... 详细信息

南北两极蕴藏着丰富的自然资源,是未来重要的能源资源基地。且南北两极蕴含着十分巨大的经济、政治、军事利益,探索和开发南北两极具有重要的战略意义。因此作为探索和开发极地地区的主要载体,破冰船的研究对我国的战略和经济发展有着十分重要的意义。由于破冰船航行区域以及作业环境的特殊性,海冰与船体的相互作用受到了研究人员的广泛关注,但是目前对于破冰船所受冰载荷以及破冰船的运动响应研究还处于起步阶段,有许多问题急需解决。本文主要针对破冰船连续式破冰过程中船体六自由度内的运动响应求解进行了深入的分析和研究,主要研究工作如下:1、对破冰船的破冰过程做了一些简化与基本假设,确立了两个基本坐标系及其间的转换关系,引入了破冰船的运动微分方程。分析了破冰船破冰过程中的受力情况,引入了计算碎冰、螺旋桨、船舵、周围流体作用力的半经验公式。系统阐述了运用Newmark法对破冰船六自由度内运动响应的求解方法。2、研究总结了海冰的物理特性和力学行为,分析了破冰船船首和船中与冰排的相互作用以及破冰船破冰的进程机理。结合实验数据及理论分析,构建了包含冰排二次断裂在内的冰力函数。3、在前述理论基础上,运用MATLAB编写相应程序,对破冰船的直行过程和回转过程进行数值求解,得到船体运动响应的时历曲线,并将计算结果与相关文献数据进行对比,验证了本文计算方法的准确性和可靠性。4、通过限制船体某些自由度的运动,分析了船舶运动与破冰性能之间的相互影响。5、改变船首特征参数,通过设定不同的首柱倾角及外倾角,探讨了船首形状对破冰能力的影响。6、推导了破冰船在冰中的推力减额计算公式,对尾部破冰模式下的碎冰阻力计算进行了修正,对比研究了首部破冰与尾部破冰模式下的船舶破冰性能。

关键词：连续式破冰破冰载荷运动响应破冰能力

内河破冰船的冰激船体结构振动与舱室噪声试验研究

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内河破冰船的冰激船体结构振动与舱室噪声试验研究

作者：张鹏哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

破冰船在冰区破冰过程中必然受到破冰载荷的作用,当冰带区船体结构受到破冰激励载荷作用时,该区域船体结构将发生剧烈的振动响应,当这种冰激结构振动能量传递至船体其他区域,也可能引起该区域的船体结构产生一定程度的振动响应,这种由... 详细信息

破冰船在冰区破冰过程中必然受到破冰载荷的作用,当冰带区船体结构受到破冰激励载荷作用时,该区域船体结构将发生剧烈的振动响应,当这种冰激结构振动能量传递至船体其他区域,也可能引起该区域的船体结构产生一定程度的振动响应,这种由破冰所导致的船体结构振动与舱室噪声响应增大的现象,可能会对船上人员的正常生活与工作造成影响。针对破冰船在破冰作业时的由冰载荷引起的冰激船体结构振动与舱室噪声问题,通过开展实船破冰振动与舱室噪声测试试验来分析冰激船体结构振动与舱室噪声特性将具有重要的意义。介绍了用于此次实船破冰振动噪声测试试验的破冰船的主要参数及其破冰方式,以及试验所用振动与噪声信号的测量与采集仪器的性能参数与主要用途;在综合考虑了影响冰激船体结构振动的主要因素与试验冰区的冰况及破冰船破冰能力的基础上,制定了基于冰况与破冰速度这两个参数的破冰试验测试工况;根据船上结构振动与舱室噪声的相关标准,参照船体结构图与舱室布置图,制定了破冰试验过程中的振动加速度传感器与噪声传声器与声级计的布置方案。采用对信号分段截取与短时傅里叶变换结合的方法对采集的振动加速度信号进行处理得到时频域上分析精度满足要求的加速度幅值谱;分析了破冰速度与冰况两种因素对破冰船各主要区域的冰激船体结构振动的影响;随着在完整冰区的破冰速度逐渐增大,冰激船体结构振动响应随之增大;破冰船在完整冰区破冰时,其振动加速度谱是谱线较为丰富且峰值较大的宽带响应谱,相比之下,漂浮冰区航行时的振动加速度谱的响应峰略显单一且峰值略低;在破冰船主甲板与驾驶甲板区域,对于局部板格中心、横梁跨中以及纵桁与横梁交叉处这三种典型的板架结构位置,在破冰过程中,其振动加速度响应有依次减小的关系,这种情况在破冰船各主要考察区域均有所体现。通过对冰激结构振动的时历曲线进行分析,初步认为冰激船体结构振动属于连续破冰载荷激励下的非稳态随机振动。通过对不同试验工况下的各舱室声压幅值谱以及倍频程谱进行分析后,发现在破冰过程中,船舶各舱室的噪声普遍增大,将对船上各主要舱室的舒适性产生一定的影响;对于不同类型的舱室,其舱内声压频谱在响应峰值大小以及频谱特征上的差别较大;对于内部无设备噪声源且远离冰带作用区的舱室,破冰载荷引起的船体结构振动声辐射是导致其舱室噪声增大的主要原因,而且其舱室噪声谱的增大效应主要集中在200Hz内的低频段上;对于位于冰带作用区范围内且有舱口与外界空气相连通的舱室,破冰载荷直接作用于其舱壁板上,同时破冰产生的空气噪声直接传递至舱内,将导致该舱室噪声谱在500～2000Hz中高频段上显著增大;当破冰船在完整冰区破冰时,其舱内噪声声压谱的响应丰富且峰值较大,相比之下,在漂浮冰区航行时,其舱内声压谱的响应峰略显单一且峰值较小;随着在完整冰区破冰速度的提高,舱室噪声在整个频谱上呈现出增大的趋势,但对不同的舱室,在倍频程各中心频率处的增量变化有所不同。对破冰船艏部冰带区的船体外板的形式进行合理简化,采用合理的冰载荷幅值计算方法与冰力学强度参数,计算了艏部冰带区船体外板的冰载荷幅值;结合结构的破冰振动加速度时历曲线特征与试验现场观测情况,估算得到冰层断裂长度的取值范围,据此计算了不同破冰速度下艏部冰带各区域的破冰载荷作用周期;结合船艏区域外板等结构的振动加速度时历曲线的特征与破冰试验过程中观测到的冰层受船体作用发生破坏的过程,合理假设了冰载荷作用周期内的时历特征,建立了本次破冰船在完整冰区破冰时作用于其艏部的动态破冰载荷模型。

关键词：破冰船破冰试验船体结构振动舱室噪声破冰载荷

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船舶破冰复杂多模态振动响应研究

船舶破冰复杂多模态振动响应研究

作者：刘勇哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着全球气温的持续升高,两极地区海冰范围和冰体厚度也会随之减小,开通北极航道也存在可能,这将大幅度缩短亚欧国家的运输道路,降低运输成本,所以破冰船作为两极资源探索和运输的重要交通工具,其研制与建造成为全球大国关注的热点话题... 详细信息

随着全球气温的持续升高,两极地区海冰范围和冰体厚度也会随之减小,开通北极航道也存在可能,这将大幅度缩短亚欧国家的运输道路,降低运输成本,所以破冰船作为两极资源探索和运输的重要交通工具,其研制与建造成为全球大国关注的热点话题。破冰船在航行过程中,将不可避免的遇到平整冰冰况,在进行破冰作业时,破冰船会受到冰层碰撞产生的随机破冰载荷的影响,容易产生较为强烈的振动情况,影响工作人员的工作效率,同时也有可能对船上配备的精密设备产生不良影响或者导致仪器损坏的风险,所以,开展破冰船破冰复杂多模态振动响应研究具有重要意义。本文将以探究破冰船冰致复杂多模态振动响应以及不同参数下振动响应规律研究为目标,通过理论分析,数值仿真开展相关研究工作。本文首先重点揭示了研究发展破冰船的重要意义,总结整理了国内外破冰船发展现状,国内外学者在冰体特性,破冰载荷以及船冰碰撞方面的研究现状,确定了本文关于破冰船破冰载荷计算方法,破冰船典型甲板区域振动响应以及不同参数下振动响应规律研究的探究方向。介绍了冰体物理和力学特性,为破冰船破冰有限元模型提供冰体材料参数输入;基于LS-Dyna有限元软件,建立钢板挤压球头冰数值模型,将压力面积曲线结果与ISO规范标准和实验数据对比,验证弹性断裂失效模型模拟冰材料的有效性,为下文破冰船破冰载荷模拟计算奠定基础。建立破冰船破冰有限元模型,开展船舶破冰载荷特性研究,利用LS-Dyna流固耦合ALE算法,探究破冰船连续式破冰(连续平整冰排)时破冰载荷的特性规律。阐述船舶破冰过程中的冰层破坏模式,研究船舶航速和平整冰厚度两种敏感参数影响下的破冰载荷变化趋势,并将破冰载荷的数值模拟结果与Jeong公式经验值进行对比分析,结果表明误差均在10%范围内,破冰载荷数值仿真结果合理;对破冰载荷进行频域分析,分析航速与冰厚对于频谱曲线的影响,为后续开展船舶破冰复杂多模态振动响应研究提供载荷输入。建立破冰船流固耦合有限元模型,进行破冰船自由振动特性分析,探究破冰船总体模态和典型甲板区域局部模态特性,由于板,纵横肋骨,横纵舱壁等多种构件刚度存在差别,存在不同局部模态相互影响,导致破冰船总体模态改变,呈现复杂的多模态现象;以第三章得出的破冰载荷作为激励力,以破冰船航速和平整冰排厚度作为影响参数,探究破冰载荷激励下破冰船典型甲板区域的振动响应特性规律,结果表明随着破冰船航速的增大和平整冰排厚度的提高,典型甲板区域选定的考核点振动加速度均有增大趋势,为后文破冰船典型甲板区域的不同结构参数下振动响应规律研究作支撑。最后,通过改变板厚和肋骨尺寸,开展破冰船典型甲板区域的不同结构参数下振动响应规律研究。以板厚和加强筋截面形式作为控制参数,分别对破冰船典型甲板区域进行振动响应规律研究,从而为破冰船典型甲板区域振动控制提供参考建议。

关键词：破冰船破冰载荷多模态振动振动控制