破冰船破冰载荷与破冰能力计算方法研究

近年来，随着寒冷地区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。目前，各国学者一般通过实验来预报破冰船的运动和冰载荷，此方法对实验的技术和条件都有较高的要求，试验费用十分昂贵。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破冰载荷、船体运动响应以及破冰能力的方法。本项目基于弹性板理论，考虑海冰的物理力学特性，推导了海冰弯曲破坏的理论解。考虑"连续式"破冰法下破冰载荷随时间的变化规律以及破冰过程中船体受到的各种外力，建立了六自由度船体运动方程。通过求解获得了船体的运动响应和破冰能力。在此基础上，探讨了破冰船艏部强度和形状优化问题。

随着北极航道的开辟、北极油气资源的开发以及我国极地科学考察的不断发展，破冰船越来越受到人们的关注。破冰载荷与破冰能力是破冰船设计过程中的关键参数，设计者需要采用合理的方法加以确定。由于我国冰池试验的基础条件比较薄弱，开发一种准确的破冰载荷和破冰能力的论预报方法十分必要的。海冰的物理和力学性能比较特殊，造成了船体与海冰相互作用的力学问题十分复杂。本项目首先基于弹性板理论，考虑海冰的物理和力学特性，推导了海冰弯曲破坏的理论解；综合考虑其它外载荷，建立了破冰船破冰过程的六自由度运动方程和连续式破冰能力预报方法。其次，对四种不同的海冰本构模型进行了研究，根据研究结果对动力分析软件Dytran进行了二次开发，修改了软件内部的海冰破坏准则；同时考虑船体与海水、海冰之间的耦合作用关系，建立破冰船破冰过程的数值仿真方法。再次，基于理论和数值仿真方法，通过将作用在船体的冰载荷进行积分，建立的破冰船总纵弯曲外载荷计算方法。最后，分别对采用不同的艏部线型的破冰船破冰能力进行了预报，通过对计算结果的比较分析确定了破冰船艏部的优化构型。