摘要
当气垫船低速行驶至冰水交界面处时，通过气垫压力作用将在冰下产生气腔，导致冰层失去弹性支撑，冰层在冰下气腔压力、气垫压力、冰层自重等多种载荷作用下发生破坏。目前，针对于气垫船低速破冰过程，国外开展了大量的实船测试，对不同型号的气垫船开展了破冰能力研究。针对于冰下气腔的形成及传播，也开展了较多的模型试验和理论研究。然而，冰下气腔的形成及传播与冰层破坏过程密切相关，需要进行统一的考虑，才能挖掘气腔在冰层破坏过程中体现的贡献。本文以一艘开展了模型试验和实船测试的气垫船为研究模型，基于数值模拟手段，研究气垫船在低速行进过程中的气腔传播规律，以及气腔传播过程中的冰层响应，从而提高对气垫船低速破冰机理的认知，为气垫船低速破冰能力设计提供技术支撑。 首先，基于DEM方法中的平行粘结模型构建了平整冰数值模型，确定了切法向刚度比和法向刚度，以此为基础，分析颗粒弹性模量对冰样弹性模量和弯曲强度的影响规律，基于真实海冰的弯曲强度确定了海冰数值分析模型的细观参数，以此作为后续数值模拟的前提。 其次，对冰下气腔传播速度进行理论推导，探究了冰下气腔的形成能力及冰下气腔传播规律。基于STAR-CCM+软件开展了气垫船无航速破冰过程数值分析，将气腔传播过程中冰层上下表面载荷加载到DEM平整冰数值模型上，得到了气腔传播各阶段下的冰层运动响应及破坏情况。以此为基础，探究了气垫压力、悬停距离、冰厚对冰下气腔传播和冰层破坏过程的影响规律。 最后，建立了基于重叠网格技术的气垫船低速破冰数值模型，探究了有航速条件下气腔传播各个阶段的物理特征，基于相关文献中的模型试验结果对本文数值结果加以验证。以此为基础，分析了气垫压力、航速、冰厚对冰下气腔传播及冰层破坏过程的影响规律，与无航速条件进行对比分析，总结出影响气垫船破冰效率的关键因素。
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