破冰船冲破冰层的有限元数值仿真研究

对 比 以 上 三 种 方法 ， 流 固 耦 合 法 由于 为 了 引 入 流 体 的影
此 时 的 破 冰 船 具 有 一 定 的适 航 性 ；如 果 航 行 的海 域 是 一 片 海 冰 区 域 ，且 靠 近 海 岸 ，此 时 ，破 冰船 将 进 行 破 冰 作 业 。在 开 阔 的 水 域 航 行 时 ，决 定 船 舶 运 动相 应 的 控 制 载 荷 主 要 是 破 浪 载 荷 ， 与 之 相 比 ，破 冰 船 在 进 行 破 冰 工 作 时 ，破 冰 载 荷 将 代 替 波 浪 载 荷 ，成 为 主 要 的控 制 载 荷 来 决 定 破 冰 船 的破 冰能 力
摘
要： 基于 “ 冲 撞 式”破 冰 法 以 及 有 限 元 仿 真 法 的 原 理 ， 利用 ＭＳ Ｃ． Ｐ ａ ｔ ｒ ａ ｎ／ Ｄｙ ｔ ｒ ａ ｎ软 件 进 行 冰 载 荷 的 数 值 模 拟 ，
研 究 模 拟 破 冰 船 冲 撞 冰 层 的过 程 中 的关 键 技 术 ，分 析 确 定 适 合 于 本 文 所 用 的 研 究 方 案 ，对 整 个 破 冰 过 程 中冰 层 的变 化 过 程 进 行 分 析 ，并 通 过 对 比不 同 的冲 撞 速 度 、撞 击 角度 以及 冰 层 厚 度 ，研 究 这 些 参 数 的 不 同对 破 冰 船 破 冰 能 力 的
此 时 的破 冰船 就和 其 他 船 舶 一 样 ， 按照设定的航线进行航行 ，
一
步 的提 高 ； ＧＦ法 目前 一 般应 用于 小 尺 度 的 海 冰 动 力 学 的 数
二 、 结 构 的 有 限 元 模 型 及 材 料 特 性 参 数
值模拟试验研 究。 对 海 洋 结 构 物 进 行 有 限 元 动 力 模 拟 分 析 时 ， 一 般 会 用 到 三种 建模 方 法 ：流 固耦 合 法 、附 连 水 质 量 法 、等 效 船 体 梁 法 。
形 态 作 为 参 考 ，利 用 这 个 参 考 来 描 述 连 续介 质 的 问 题 。在 这 种 方 法 中 ， 结构 物 网络 是 有 单 元 组 成 的 ，而 单 元 又 是 有 各 个
在 利 用 大 型 有 限 元 分 析 软 件 进 行 建 模 分 析 时 ，一 般 需 要
先选择有 限元模型单元通 。 通常会采用的模型单元有体单元 、
第 １ ４卷 第 ５期
２ ０１ ４住
中 国
水
运
ＶｏＩ ．１ ４
Ｍａ ｙ
Ｎｏ． ５ ２ ０１ ４
５月
Ｃ ｈ ｉ ｎａ Ｗａｔ ｅｒ Ｔｒ ａ ｎｓ ｐｏｒ ｔ
破冰船冲破冰层 的有限 元数值仿真研 究
王 林 ， 刘 星
（ 江 苏 科 技 大 学 船 舶 与 海 洋 工程 学 院 ， 江 苏 镇 江 ２ １ ２ ０ ０ ３ ）
一
、
数 值 模 拟
目前 ，虽 然 能 够 进 行 显 示 动 力 分 析 的有 限元 软 件 很 多 ，
但 是 它 们 都 要 通 过 前 处理 、 求 解 、 后 处 理 这 三个 基 本 环 节 来 进 行 分 析 求 解 ， 因此 ，他 们 的 基 本 的 分 析 流 程 大 致 相 似 。
元 进 行 建 模 模 拟 。 由于 破 冰 船 在 进 行 破 冰 作 业 的过 程 中 ，主
要依 靠 船 艏 冲 撞 冰 层 来 进 行 破 冰 ，而 其 他 区域 ， 由于 远 离 破
变 形 。在 工 程 中 ，对于 固体 结 构 主 要 应 用 此 方 法 来 进 行 分 析 。 对 于 结 构 物 瞬 间 的 动 态 变 化 ，通 常 利 用 显 式 积 分 方 法 来 进 行 模 拟 。这 种 方 法 具 有 计 算 快 、可 自动控 制 步 长 以 及 精 度 高 等
影响 。 关 键 词 ：破 冰 船 ；冰 载 荷 ；冰 的非 同时 破坏 中 图分 类号 ：Ｕ ６ ６ １ ． ４ 文献 标 识 码 ：Ａ 文章编号：１ ０ ０ ６ — ７ ９ ７ ３（ ２ ０ １ ４ ）０ ５ — ０ ０ ６ ２ － ０ ３
破 冰 船 在 破 冰 航 行 的过 程 中 ， 一 般 会采 取 两 种 航 行 方 式 。 如 果 航 行 海 域 比较 开 阔 ， 破 冰 船 会 以 最 经 济 的 方 式进 行 航 行 ，
壳单 元 、 梁 单 元 等 。本 文 选 取 的破 冰船 的 主 体 结 构 就 采 用 四
边 形 单 元 进 行 建 模 ，部 分 小 构 件 及 不规 则 区 域 采 用三 角 形 单
节点连接而形成 的， 并 且这 些 节 点都 是 固 定在 分析 对 象 上 的 。
所 以 当对 象 发 生 形 变 时 ，节 点 也 会 随之 移 动 ，进 而 单 元 发 生
与运 动相 应 。
一
响 ，需 要 建 立 整 船 模 型 ，模 拟 是 情 况 是 三 种 建 模 方 法 中最 为 真 实 的 ，也 是 目前 所 能 掌 握 的 最 准 确 的仿 真 分析 方 法 ，且 流 固耦 合 法 的计 算精 度 较 高 ，但 其 建 模 的工 作 量 十 分 巨大 。而 附 连 水 质 量 法 和 等 效船 体 梁 法 ，都 是 一 种 简 化 的 近 似 计 算 方 法 。虽然 流 固耦 合 法 的 精 度 很 高 ， 但 在 考 虑 本文 的 实 际情 况 ：
片 没 有 水 域 的 冰 区 ， 因此 本 文 将 采 用 附连 水 质 量 法 。在 进
行 建 模 的 时候 ，一 般 会 增 大 船 体 的密 度 从 而 使 模 型 的总 质 量 等 于 船 舶 排 水 量 与 附连 水 质 量 之 和 。
（ １ ） 有 限 元模 型
wenku.baidu.com
对 于 利 用 数 值 模 拟 方 法 解 决 连 续 介 质 力 学 问 题 ，通 常 有 两 种 方 法 ：Ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ法 和 Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ法 ；而 对 于 动 力 学 数值 问 题 ， 由分 为 隐式 时 问 积 分 法 和 显 式 时 间积 分 法 。其 中 ，拉 格 朗日 （ Ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ）法 ，又 名 质 点 坐 标 系 法 ，其 主 要 是 把 参 始