摘要
每年春季，松花江、黄河等北方河流经常会因冰排堵塞河道使下游江河水位明显上涨，导致堤防溃决、洪水泛滥成灾，从而形成严重的凌汛灾害。公开资料显示，气垫船在低速行进的过程中具有一定的破冰能力，其主要破冰原理是气垫船通过垫升系统在冰下形成一定规模的空气腔，导致冰层失去弹性支撑，冰层在冰上气垫压力、冰下气腔压力、冰层自重等载荷的共同作用下使冰层发生周期性破坏。 本文首先通过调研国内外相关研究现状，总结了现有气垫船破冰能力与主要参数之间的关系，基于重力流理论阐述了冰下气腔传播过程。自主设计了冰下气腔传播水槽实验装置并进行了试验，发现了冰下气腔传播的四个阶段，揭示了流量、冰厚对冰下气腔传播的影响规律，与重力流理论和CFD数值计算结果对比良好。 建立了基于CFD-FEM的气垫船低速破冰数值模型，分析了冰层所受的载荷、位移和应力响应，基于最大主应力准则分析冰层的破坏过程，结合气腔传播的四个阶段提出了气垫船低速破冰机理。 通过改变气垫压力、航速、冰厚等初始条件，提出了气垫船低速破冰规律。采用超过弯曲强度的冰盖面积绘制了气垫船低速破冰图谱，与气垫船破冰理论结果及国外气垫船低速破冰能力结果对比良好。 通过本论文的研究，可为气垫船低速破冰能力设计及评估提供一定的数值基础和试验基础。
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