摘要
极地海域拥有丰富的自然资源，包括石油、天然气、矿产等。随着全球气候变暖，海冰融化，开辟北极“东北航道”和“西北航道”成为世界各国关注的焦点，极地船舶成为各国推进极地战略的重要依托。极地水域冰况非常复杂，船舶与冰脊碰撞是极地船舶设计中需要考虑的一种工况。当破冰船与冰脊发生碰撞时，可能导致船体受损、造成人员伤亡和财产损失。由于冰脊结构特征的多样性，力学性能和本构关系尚未明确，难以预测较为准确的冰载荷。因此，本文通过采用简化解析和数值模拟两种方法研究破冰船-冰脊相互作用的动力响应，对极地船舶的设计和航行具有重要意义。 目前针对船舶与冰脊碰撞的研究相对较少，冰脊力学特性和破碎机理较复杂，且缺乏对船舶多次反复冲撞冰脊的研究。对于多次反复冲撞问题，使用数值模拟方法需要花费大量的建模时间，且计算效率较慢。因此，本文提出一种快速预估船舶在冰脊场中的运动响应的解析方法。该方法简单，且计算时间快，可节省大量的计算资源。然后，基于非线性有限元方法，采用LS-DYNA软件对破冰船与冰脊的冲撞过程进行数值模拟，分析不同工况下破冰船所受前进方向纵向冰载荷与总冰载荷特性。最后，将解析和数值两种方法计算结果进行对比，分析两种方法的差异，进而更准确地预报作用在船舶上的冰脊载荷。具体研究内容如下： （1）介绍了各种海冰类型的分类，重点总结了冰脊的形态特征和力学特性，并对船舶与冰脊的碰撞过程以及研究方法进行概述，分析总结了目前国内外的研究现状，以及各种方法的优缺点。 （2）基于Lindqvist和Malmberg冰阻力模型和船舶净推力模型，并结合船舶运动方程和冰脊场的概率模型，建立预估船舶在冰脊场中的航行性能的简化解析方法，并采用Python语言实现对破冰船在冰脊场中运动响应的快速预报。具体分析不同冰层厚度、不同螺旋桨效率、不同冰脊密度以及不同船舶初速度下船舶的运动响应特性。 （3）基于冰脊材料本构模型，采用LS-DYNA有限元软件对破冰船-冰脊相互作用进行数值模拟，分析不同船舶速度、不同固结层厚度、不同冰脊厚度、不同冰脊宽度以及不同船首刚度条件对船体前进方向纵向冰载荷以及总冰载荷的影响，并分析了龙骨内能的变化。此外，将解析和数值模拟两种方法的结果进行对比，讨论了方法的合理性。
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