極地航行船舶冰力預(yù)報(bào)的層冰破壞模型

汪玉蘭++何鳴++張強(qiáng)

【摘 要】隨著極地戰(zhàn)略的提出，對(duì)極地船舶的相關(guān)研究受到越來(lái)越多的重視。在對(duì)極地航行船舶進(jìn)行冰力預(yù)報(bào)前，需要研究層冰的破環(huán)機(jī)理，建立合適的層冰破環(huán)模型。所有數(shù)學(xué)模型方法和仿真方法都是建立在一定假設(shè)之上的，根據(jù)已有的研究基礎(chǔ)，本文對(duì)極地航行船舶與層冰的相互作用進(jìn)行理論分析，基于船舶破冰過(guò)程中的各種理想化假設(shè)，對(duì)船舶的破冰過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，使其在工程計(jì)算中具有可行性。

【關(guān)鍵詞】層冰；冰力；層冰破壞模型

0 前言

目前對(duì)層冰破壞機(jī)理的研究是一個(gè)較前沿的課題，冰力預(yù)報(bào)方法多是基于試驗(yàn)的回歸公式，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在尚處于研究的起步階段[1]。但是經(jīng)驗(yàn)公式并不能反映層冰的破壞過(guò)程，所以有必要研究層冰的破壞過(guò)程：岳前進(jìn)（2003）[2]等人通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果觀察得到冰與錐體作用破壞過(guò)程，建立確定性的冰力函數(shù)，該研究反映了國(guó)內(nèi)初步對(duì)層冰破壞機(jī)理的探索，函數(shù)中部分參數(shù)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得；何菲菲（2010）[3]結(jié)合彈性力學(xué)理論和最小勢(shì)能原理，提出了破冰船破冰載荷的理論計(jì)算公式，該方法只考慮了層冰的彎曲破壞。

國(guó)外對(duì)船舶在層冰中冰力預(yù)報(bào)的研究起步比國(guó)內(nèi)早得多，用數(shù)值方法進(jìn)行冰力預(yù)報(bào)都是基于不同的層冰破壞模型的，Lau.el（2006）[4]基于DECICE計(jì)算船舶在冰中的運(yùn)動(dòng)，將層冰近似成三維彎曲板元件研究層冰的破壞，Biao Su （2011）[5]運(yùn)用壓毀和彎曲失效模型，模擬了船舶的連續(xù)破冰，得到船舶局部冰載荷分布情況。這些方法中建立層冰破壞模型都要考慮破冰過(guò)程的理想化假設(shè)、層冰破壞的失效形式、冰力的成分分析、船體與冰接觸邊緣的幾何條件等。

1 層冰破壞模型

冰力預(yù)報(bào)時(shí)數(shù)值方法不僅可以計(jì)算冰阻力還可以描述破冰過(guò)程，這就需要對(duì)層冰的破冰過(guò)程進(jìn)行研究討論，建立合適的層冰破壞模型。

1.1 連續(xù)破冰過(guò)程的理想化假設(shè)

冰力是一個(gè)隨機(jī)力，船舶運(yùn)動(dòng)也決定了冰力的大小，冰載荷的變化外因是冰況的變化，內(nèi)因是接觸形式和破冰形式的變化，船冰相互作用的研究對(duì)建立可靠的數(shù)值方法預(yù)報(bào)冰載荷起著關(guān)鍵作用。在層冰中操縱船舶時(shí)，主要由船艏部分沖破冰層，回轉(zhuǎn)操作時(shí)，冰的邊緣與船肩、船側(cè)頻繁接觸，相對(duì)于彎曲來(lái)說(shuō)，冰的壓毀也是不可忽略的冰力重要組成部分，所以船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的破冰力遠(yuǎn)比直航運(yùn)動(dòng)時(shí)多。

船舶穿過(guò)層冰的過(guò)程可以概括為船體破冰—推動(dòng)冰這個(gè)過(guò)程：船與第一塊冰接觸即開(kāi)始發(fā)生壓毀現(xiàn)象（如圖1），壓毀力隨著面積的增加而增大，直到垂向分力足夠大使得冰發(fā)生彎曲破壞，發(fā)生彎曲失效的冰片會(huì)沿著船側(cè)向下滑動(dòng)（如圖2），斷裂的冰片在船周圍產(chǎn)生了升力，這些升力是由于水與冰的密度差引起的。浮冰從冰片上掉落后，船的前進(jìn)迫使它們?cè)诒倪吘壭D(zhuǎn)，直到與船平行，而后浮冰開(kāi)始下沉，沿船體滑行到無(wú)法與船持續(xù)接觸。在一些船體的部位，尤其是首部和兩側(cè)傾斜角很大（接近垂直），壓毀可能是唯一的破壞模式。

圖1 船冰接觸過(guò)程 圖 2 冰的斷裂翻轉(zhuǎn)

船冰的相互作用表現(xiàn)為重復(fù)的接觸-斷裂-翻轉(zhuǎn)的過(guò)程和破冰開(kāi)始后一直伴隨著的冰在船體周圍的滑動(dòng)和下沉，所以船舶受到冰的作用力隨著時(shí)間的變化理想化曲線如圖3所示。隨著船艏與船肩不斷爬上冰面，冰阻力從零開(kāi)始增加到冰能承受的最大破壞力時(shí)層冰破裂，隨著冰的破裂，冰阻力從峰值衰減為零，隨后船在與冰沒(méi)有接觸的情況下航行很短暫的一段時(shí)間直到下一次與冰接觸，這一過(guò)程反映了冰力變化的一個(gè)周期。

圖3 理想化的各個(gè)冰力成分隨時(shí)間的變化曲線

1.2 層冰中船舶連續(xù)破冰過(guò)程的冰力成分

冰力預(yù)報(bào)時(shí)需要考慮組成冰力的成分有哪些。海冰與傾斜結(jié)構(gòu)物相互作用時(shí)大多發(fā)生彎曲破壞，當(dāng)船舶艏部的傾斜度越大時(shí)船舶更容易沖上海冰，此時(shí)層冰與船體相互作用時(shí)主要發(fā)生彎曲破壞。如果對(duì)極地航行船舶破冰過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，船舶首部雖然具有一定傾斜度，但是首柱傾角較大，不僅要考慮海冰發(fā)生彎曲破壞產(chǎn)生的破冰力、破壞的碎冰脫離冰排變成浮冰塊，浮冰塊沿著船舶下沉產(chǎn)生的下沉力，還要考慮破冰過(guò)程中伴隨著壓毀失效產(chǎn)生的破冰力。其中海冰的擠壓-斷裂過(guò)程和冰塊的滑動(dòng)發(fā)生在水線處；海冰的翻轉(zhuǎn)與下沉過(guò)程發(fā)生在水線下。冰塊的滑動(dòng)與船冰之間的摩擦因素有關(guān)，屬于滑動(dòng)摩擦力，計(jì)算冰塊的翻轉(zhuǎn)力即求取冰塊的附加質(zhì)量，這兩部分力占比例小可忽略不計(jì)。所以建立冰力計(jì)算數(shù)學(xué)模型時(shí)，船冰相互作用中冰力可近似由破冰力和下沉力組成，其中破冰力分為彎曲失效引起的彎曲力和壓毀失效引起的壓毀力

1.3 船舶幾何形狀簡(jiǎn)化

船冰接觸時(shí)的冰載荷由船體與冰的接觸邊緣間的幾何條件決定，直線航行時(shí)主要是船舶首部與層冰接觸，與層冰破壞密切相關(guān)的船舶幾何參數(shù)有首柱傾角，入水角，船舶回轉(zhuǎn)過(guò)程中船冰接觸部分集中于水線處，層冰的破壞還與平行中體長(zhǎng)度有關(guān)，所以在層冰破壞模型中需要這些參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，經(jīng)驗(yàn)公式中簡(jiǎn)化時(shí)首柱傾角，入水角取平均值[6]。

2 小結(jié)

本文討論了冰力預(yù)報(bào)時(shí)層冰的破壞模型，基于對(duì)破冰過(guò)程的理想化假設(shè)，分析了連續(xù)破冰過(guò)程的冰力成分和層冰破壞形式等。本文的分析基于一定的簡(jiǎn)化與假設(shè)，為了更能反映船舶實(shí)際在冰中航行的復(fù)雜過(guò)程，還需要進(jìn)一步研究更接近實(shí)際破冰過(guò)程的冰與結(jié)構(gòu)作用的破壞機(jī)理以提高冰力預(yù)報(bào)精度。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉禹.內(nèi)河破冰船艏部型式研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[2]岳前進(jìn)，畢祥軍，于曉，等.錐體結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)與冰力函數(shù)[J].土木工程學(xué)報(bào)， 2003，（2）.

[3]何菲菲.破冰船破冰載荷與破冰能力計(jì)算方法研究[D].哈爾濱工程大學(xué)， 2011.

[4]Lau M. Discrete element modeling of ship manoeuvring in ice[J].2006.

[5]Su B. Numerical Predictions of Global and Local Ice Loads on Ships[J]. Department of Marine Technology， 2011.

[6]Lindqvist， G.， 1989. A straightforward method for calculation of ice resistance ofships[C].Proceedings of POAC 1989：722-735.

[責(zé)任編輯：張濤]