连续破冰模式下破冰船的冰力研究_王钰涵 (1)

第31卷第4期2013年7月

9865（2013）04-0068-06文章编号：1005-海洋工程THEOCEANENGINEERINGVol．31No．4Jul．2013

连续破冰模式下破冰船的冰力研究

王钰涵，李辉，任慧龙，单鹏昊

（哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

摘要：由于破冰船航行区域及工作任务的特殊性，对于海冰与船体的相互作用越来越受到重视。在一定理想化假设的基础

然后得到破冰船破冰过程中的冰力时历曲线，并分析了相上对破冰船在直行情况下的连续破冰模式运用数值方法进行模拟，

破冰速度与离散间隔都对破冰半径和关破冰参数对连续破冰作用下破冰形状及平均冰力的影响程度。模拟结果表明：冰厚、

可以为后续研究冰力有一定的影响；而冰厚则是影响破冰形状及冰力最为关键的因素；得到的连续破冰形状基本符合实际，

破冰船在冰区航行时的运动及破冰能力提供基础。

关键词：破冰船；冰力；连续破冰模式；破冰参数

中图分类号：U674．21文献标识码：A

Studyoficeforceabouticebreakerbasedoncontinuousbreakingpattern

WANGYu-han，LIHui，RENHui-long，SHENPeng-hao

（CollegeofShipbuildingEngineering，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001，China）

Abstract：Atpresent，becauseoftheparticularityoftheicebreakersailingregionandtasks，moreandmoreattentionisgiventothein-teractionbetweeniceandicebreaker．However，thestudyoficebreakerislimitedinChina，somoreeffortsareneeded．Basedonsomeassumptions，continuousbreakingpatternoftheicebreakerwhichissailinginlineissimulatedbyanumericalmethod，andthentimehistoryoficeforceintheprocessoficebreakingisachieved．Influencesofsomeicebreakingparametersabouticebreakingshapeandmeaniceforceareanalyzed．Continuousicebreakingshapecanmeetthepracticalneed．Resultslaythefoundationforlaterstudiesoficebreakermotionsandice-breakingcapacityaswell．

Keywords：icebreaker；iceforce；continuousbreakingpattern；ice-breakingparameters

目前在经济快速发展、能源紧缺的情况下，海洋和极地新能源的开发备受关注，破冰船将为此承担不可替代的作用。破冰船在冰区作业过程中，海冰对其的作用力是破冰船设计中的主要载荷。目前，对于冰力学

［1-4］［5］，的研究成果主要集中在海洋平台结构对于破冰船冰载荷的研究很少。何菲菲根据弹性力学对求解

［6］冰力的方法进行了理论研究。Wang提出了一种运动的海冰与固定圆锥形结构相互作用的算法，并对海冰

的破坏过程进行了模拟。Su对破冰船破冰过程的冰载荷进行了研究，模拟了整个破冰过程。当前计算破冰船冰载荷主要是运用经验公式，通过模型试验进行研究，但是对实验条件要求很高，国内对破冰船的模型试验还处于空白阶段。总之，对破冰船领域的研究尚处于起步阶段，研究成果比较有限，许多问题亟待解

全面开展关于冰区破损形状的预报、破冰船破冰载荷的计算等方面的研究具有重要意义。决。因此，

6］基于类似于文献［的海冰失效模型的破冰过程的理想化假设，将连续模式的破冰过程进行简化，根据

Su［8］所提出的数学方法计算冰力，从而模拟破冰船直行情况下的连续破冰模式，运用Fortran编写程序，模拟了冰区破损形状以及破冰船破冰过程中的冰力时历，计算结果符合实际情况。

08-14收稿日期：2012-

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51109046）

mail：wyuhan1112@163．com作者简介：王钰涵（1986－），女，山东人，硕士生，主要从事环境载荷与结构强度研究。E-［7-8］

第4期王钰涵，等：连续破冰模式下破冰船的冰力研究691

1．1数值理论连续破冰过程的理想化假设

“接触”、“挤压”、“弯曲”、“碎冰”连续破冰实际包含四个过程，但是假设破坏产生的浮冰从海冰上掉落

“碎冰”“接触-便马上消失，忽略了过程，由此整个破冰过程就是挤压-弯曲”的反复循环。

1．1．1接触过程的理想化

接触过程有如下几条理想化假设：

1）船体与海冰在船体的水线面处发生碰撞，考虑同时出现多个接触点的情况；

2）当一个接触点处于挤压或弯曲状态时，有可能同时出现新的接触点；

3）每个接触点都会引起海冰边缘形状发生变化，由此影响下一个接触点的破坏条件；

4）每一个发生弯曲破坏的接触点产生的冰力都由两个不同的过程组成，第一个是直接接触及挤压过程，此时冰力随接触面积的增加线性变化，第二个是弯曲破坏的形成，而未发生弯曲破坏的接触点产生的冰力只存在第一个过程，单个过程的冰力见图1所示。

1．1．2挤压-弯曲过程的理想化

通过对全尺度实验及在冰池中的模型实验的观察，海冰与船体相互作用的过程可以理想化为一系列的“接触-挤压-弯曲”过程。在计算船体与海冰的接触面积时，假定船体与海冰间的接触表面是平整的。对于

Kashtelyan一个开角为α的楔形冰，在它的顶端受到垂直的载荷，

面估算式：

Pf=Cf（α/π）2σfh2

i［9］对这种情况下海冰的承载能力提出了下（1）

［7，10］；σf是海冰的弯曲极限强度；hi是海式中：Cf是一个经验参数，根据可查资料取值范围大致在2．9～4．5

冰的厚度。

1．1．3海冰破损几何形状的理想化

Mttnen曾建立了一个概念的三维冰当海冰与船体相互作用时，会形成环向裂缝和径向裂缝，如图2，

［6］力模型。环向裂缝决定了相互作用过程中的主要的力。

海冰破碎后产生浮冰的几何形状是一个不确定因素，这里它被假设成为圆的一部分。当浮冰被假设成

环向裂缝可以被假设成为圆弧，这样便概括了裂缝的主要性质，使得碰撞过程被显著地简为圆的一部分时，

化。在连续破冰过程中有关的冰楔就是通过弯曲裂纹决定的，理想化假设为通过一个单一的参数来表示，即

6］破冰半径。文献［给出破冰半径的表达式：

R=Cl·l（1.0+CV·vrel

n）

21

（2）rell=（Eh3式中：vn是船体及海冰离散点的相对垂直破冰速度；CV和Cl是经验参数；l为海冰的特征长度，i/12（1－υ）ρig）。破冰速度对于浮冰弯曲半径的影响用系数CV来描述，Cl＞0，这里CV＜0，在程序中这两个

最终浮冰尺寸依据冰的厚度和破冰速度而变化

。参数是可调控的，

图1

Fig．1单个破冰过程的冰力形式Fig．2图2失效区域的径向裂缝和环向裂缝Descriptionoficeforceduringasingle

interactionSidecrackandcircumferentialcrackinfailurezone

1．2连续破冰过程的数值模拟

基于以上的理想化假设考虑破冰船的连续破冰过程。过程的每一个时间步都将判定是否存在破冰船与

将接触过程所确定相接触的船体上的离散点和海冰的离散点称为船体接触点和海冰接触点，海冰的接触点，

根据式（2）就可以计算海冰接触点产生弯曲破坏的破冰半径。

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海洋工程第31卷

在弯曲破坏前，挤压的冰力产生于挤压的表面，并垂直于挤压表面。

Fcr=σc·Ac

式中：Ac为接触面积，σc为海冰的挤压强度。

（3）

为计算每一个挤压过程所产生的接触面积，考虑两种可能发生的情况，如图3所示。hi是海冰的厚度，Lh是海冰上表面的挤压长度，通过海冰接触点的两侧边界上距离船体最近的两个海冰离散点的距离来计LH为接触面在情况2时海冰下表面的挤压长度，Lc是挤压深度，算，可通过Lh来计算，通过船体接触点与海冰接触点之间的瞬时距离来计算。φ是船体在该接触点的倾角，则两种情况下接触面积的计算式如下：

Ac=Lh·Lc/2cosφ，Lc·tanφ≤hiAc=（Lh+LH）·hi/2sinφ，Lc·tanφ＞hi

rel

rel

rel

rel

（4）（5）

vt和vn分别为v沿船体接触点法向和切向方向的船体与海冰的相对速度v和力的分量如图4所示，

relrelrel

fH与fV分别为水平和垂分量，而vn，1和vn，2分别为vn在垂直面内沿船体接触面和垂直于接触面方向的分量，

直方向上的摩擦力分量，垂直于船体表面的挤压冰力Fcr与摩擦力fV的合力可以分解为水平分量FH和垂直rel分量FV，因为冰楔在弯曲破坏前没有垂向位移，所以fH与相对速度分量vt成比例，而fV与相对速度分量［7］vrel表达式如下：n，1成比例，

fH=μiFcrvrelt/

fV=μiFcrvreln，1/

FH

=Fcrsinφ－fVcosφ

FV=Fcrcosφ－fVsinφ

式中：μi为船体与海冰之间的摩擦系数。

vt）+（vn，1）（v+（vt）n，1）（6）（7）（8

）（9）

图3Fig．3

计算接触面积的两种情况

Fig．4

图4力和速度的分量

TwocasesofcontactareacalculationForceandvelocitycomponents

运用式（1）和（9）来判断海冰是否发生弯曲破坏，如果FV＜Pf，则弯曲破坏没有发生，只是冰楔的尖端

产生了挤压；如果FV≥Pf，则弯曲破坏产生，冰楔被挤压之后按照破冰半径从海冰上掉落。至此，破冰船连续破冰过程中的冰力时历曲线可以得到。

2模拟结果

Cf为3．1，模拟过程中时间步长为0．04s，冰区长180m，宽40m，表1及表2是破冰船的主尺度及海冰

O-特性参数，破冰船航行方向及坐标系见图5所示，

XYZ为固定坐标系。将船体水线面离散为闭合的多边形，假设船体沿直线航行并且忽略船体运动对水线面的影响，因此不考虑船体运动、水动力及冰力之间的耦合作用，而海冰为边界与船体航行方向成45°的无限大平整冰排。根据表1及表2中的数据，在破冰船设计破冰速度4kn，海冰离散间隔为0．5m，冰厚为0．3m的情况下对破冰船的连续破冰过程进行模拟，

图5Fig．5

坐标系描述

7所示。所得到的破冰形状及冰力时历曲线如图6、

Desperationofcoordinate

第4期王钰涵，等：连续破冰模式下破冰船的冰力研究

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海冰物理力学特性

表1

Tab．1

破冰船主尺度表

Tab．2

表2

Principaldimensionoficebreaker

取值848115543170

Physicalandmechanicalpropertiesofice参数

取值101054000．332．860．50．

1

参数船长/m设计水线长/m

型宽/m吃水/m设计破冰速度/kn

排水量/t

－3

密度ρi/（kg·m）

杨氏模量E/MPa

泊松比γ挤压强度σc/MPa弯曲强度σf/MPa

摩擦力μi

图6Fig．6

破冰形状图7Fig．7

冰力时历曲线

Icebreaking

shapeTimehistoryoficeforce

7］图8（a）是文献［中实船试验得到的破冰形状，而图8（b）则是文中模拟的破冰形状，可以看到模拟的

破冰形状基本符合实际

。

图8

Fig．8

破冰形状比较

Comparisonoficebreakingshape

3

3．1

参数分析

破冰形状的参数影响分析

9（b）中在破冰速度及海冰离散间隔不变的情况下，只改变冰厚的模拟结果，如图9（a）中冰厚为0．5m，

冰厚为0．8m。根据式（2）可知，随着冰厚的增大破冰半径也会随之变大，所以从海冰上所掉落的浮冰就越大。从图6及图9中可以看出，模拟的连续破冰形状变化与理论相吻合，因此冰厚对破冰半径有很大地影响。

图10是在破冰速度及冰厚不变的情况下，改变海冰离散间隔大小的模拟结果。图10（a）中海冰离散间隔为0．8m；图10（b）中海冰离散间隔为1．2m。通过图6及图10的对比可以看出，海冰离散间隔对破冰的形状具有一定的影响。

图11是在冰厚和海冰离散间隔不变的情况下，改变破冰速度的模拟结果。图11（a）中破冰速度为1．5m/s；图11（b）中破冰速度为3m/s。根据式（2）可知，随着破冰速度的增大破冰半径也会随之变大。从图6及图11的对比中可以看出，模拟结果与理论值相吻合，破冰形状也同样受破冰速度的影响。

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72海洋工程第31卷

图9

Fig．9冰厚对模拟结果的影响Influenceofice

thickness

图10离散点间隔对模拟结果的影响

Influenceofdiscrete

spaceFig．10

图11

Fig．11破冰速度对模拟结果的影响Influenceoficebreakingspeed

3．2平均冰力的参数影响分析

mCf增大，如图12所示，平均冰力Fice随Cf的增大而随之增大，根据式（1）可知，极限冰力值随之增大，从

而平均冰力也随之增大，呈线性变化趋势。

从图13中可以看出在海冰离散间隔d逐渐变小时，平均冰力值会逐渐变大，并且随着离散间隔的变小而逐渐收敛，考虑到模拟时间及海冰离散点对破冰形状的影响，选取海冰离散间隔大小为0．5m来进行模拟

。

图12

Fig．12Cf对平均冰力的影响图13Fig．13平均冰力随海冰离散点间距变化的收敛性InfluenceofCfformeanice

forceConvergenceofmeaniceforcewithvaryingicespace

m图14是平均冰力Fice随冰厚的变化曲线，从图中可以明显的看出平均冰力随冰厚的增加而增大，利用

多项式拟合，可以得到如图的非线性拟合结果。冰厚变化所引起的平均冰力的变化跨度很大，因此冰厚对平均冰力具有很大的影响。

破冰速度增加，在同一时间步破冰距离变大，海冰的接触点增多，破冰次数增多，平均冰力就会增大。图