冰区锚系浮式平台与海冰作用机理及动力耦合过程的离散元模型研究

With the reduction of ice cover in the Arctic under the trend of global warming, oil and gas exploration and production in ice regions call for development of offshore structures that can operate efficiently in such environments. The dynamic interaction between sea ice and floating platform as well as the ice resistance capability need to be understood comprehensively to assist floating vessel design and security service in ice covered regions. Therefore, the discrete element model of the various ice types based on the physical experiments of sea ice mechanical properties will be established in this project. The breaking, pile up and clearance features during the interaction between sea ice and floating offshore platform will be simulated with DEM method and compared with ISO standard on Arctic Offshore Structures. Finally, the global ice resistance and the ice resistant capability of the floating platform will be simulated with DEM considering the sea ice properties of ice type, strength. drifting velocity, etc. the floating platform properties of hull geometries, mooring system, etc.. This study will contribute to the development of DEM during its application in offshore engineering of cold regions, and also provide significant scientific foundation for the design of ice-resistant structures and security service in ice-covered fields.

随着极区海冰在全球气候变暖趋势下的快速消融，极区海洋油气资源的开发使得冰区海洋平台的建造需求不断增强。为解决冰区浮式平台的抗冰设计及冰区安全作业等工程问题，需要对浮式平台与海冰的作用机理与平台抗冰性能进行深入研究。为此，本项目针对海冰与浮式平台作用时的动力破坏特征，在海冰力学性质试验的基础上建立不同类型海冰的离散元模型；对海冰与浮式平台作用中的破坏模式、堆积、清除特性进行离散元计算并与冰力规范进行对比；考虑冰类型、强度、冰速等海冰因素，平台结构尺寸、锚泊系统空间分布等结构参数，对浮式平台结构总冰力进行离散元计算以分析平台结构的抗冰性能。本项目研究不仅可以促进离散元方法在寒区海洋工程中的发展和完善，还可为浮式平台的抗冰设计及冰区安全服役提供有力的科学依据。

为解决冰区浮式平台的抗冰设计及冰区安全作业等工程问题，需要对浮式平台与海冰的作用机理及平台抗冰性能进行深入研究。本项目针对海冰与浮式平台作用时的动力破坏特征，建立了海冰的离散元模型，对海冰与锚系浮式平台作用过程进行了分析。开展的主要研究内容有：（1）采用球体单元构造了浮冰的离散元模型，发展了海冰离散元模型并行算法，提高了计算效率和规模，建立了海冰与浮式平台间的离散元接触模型，精确计算了碎冰与平台之间的接触作用力；（2）采用离散元方法模拟了碎冰与锚系浮式平台间的相互作用过程，研究了碎冰在平台周围的堆积与清除过程，研究了碎冰与不同类型锚系浮式平台作用时的堆积特性及冰载荷规律，研究了碎冰尺寸、形态、密集度等因素对平台冰力的影响规律；（3）采用离散元方法计算分析了海冰与浮式平台作用时海冰破坏模式与平台冰荷载变化规律，计算分析了不同空间布置的锚泊系统对海冰与浮式平台作用时锚泊力随时间的变化规律，针对同一类型海冰与同一浮式平台，计算分析了改变锚泊系统空间布置时锚泊力的变化规律，在不同的锚泊系统空间布置下，采用六自由度分析方法分析了不同类型海冰与浮式平台碰撞作用时平台的冰激响应，计算了浮式平台在六个自由度方向上的速度、角速度及位移等运动参量。本项目研究成果可用于冰区锚系浮式平台前期设计及后期海冰管理中，为浮式平台的抗冰设计及冰区安全服役提供了有力的科学依据。