面向冰区船舶航线的混合规划算法

针对自然环境恶劣且复杂的北极海域,本文旨在解决冰区船舶的航线规划问题。基于栅格法建立了冰区船舶的作业空间,采用改进蚁群算法规划出全局航线,将预处理后航线的各节点作为待规划的子目标,使用改进滚动窗口算法求解出最终航线。仿真结果表明:改进蚁群算法能以更快的迭代速度规划出静态环境中的全局航线,节点删除算法可剔除冗余节点,降低后续算法的计算复杂度,改进滚动窗口算法能在全局航线的基础上,有效规避环境中的动态障碍物,求解出混合环境中符合冰区船舶运动性能的最终航线。

基于DEM-SPH流固耦合的冰区船舶快速性预报

船舶在冰区海域中航行会受到冰水环境阻力的影响,是冰区船舶快速性研究中的重要影响因素。为合理分析冰区船舶的快速性能,该文采用基于离散元(discrete element method,DEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法的流固耦合模型模拟船舶冰区航行过程,获得不同航速下的船舶阻力和推进力,进一步计算出螺旋桨的推力、扭矩以及定速航行所需的螺旋桨转速等参数。为研究船体结构、海冰与海水之间的流固耦合作用,文中通过SPH粒子与固定粒子边界相对运动的拟合项直接计算固体与流体之间的相互作用力,建立船体结构、海冰与海水耦合的DEM-SPH模型,并基于该模型分别对船舶在冰区的航行阻力和推进力进行模拟,通过拟合的方式匹配航行阻力和推进力,并考虑尾部流场导致的船体阻力增额,从而预报船舶在特定航速下实现自航所需的螺旋桨转速。此外,文中还模拟了DTMB 5415船模在浮冰区和层冰区中航行的阻力和不同螺旋桨转速下的推力,对船模在不同工况下实现特定航速航行所需的螺旋桨转速进行了预报。计算结果表明:DEM-SPH耦合模型对船-冰、桨-冰作用中的流固耦合过程模拟效果出色,可完整描述船体及尾部伴流场对海冰的拖曳作用;通过文中所述阻力-推力模拟算例及强制力的拟合分析,所形成的基于数值模拟方法的船舶自航下螺旋桨转速预报,可为进一步的试验验证和工程应用推广奠定基础。

冰区船舶冰载荷及船体结构优化

冰区航行是在极寒气候和冰冻海域中航行的船舶活动,其受力环境与常规航行有着显著差异。冰区航行的特殊性和挑战性使得冰载荷及船体结构优化成为当前航海工程领域的热点研究方向。冰区航行不仅与极地资源勘探、海上运输、旅游观光等密切相关,还对域内外国家的经济发展和战略安全具有重要影响。本文将综合探讨冰载荷的来源和作用机理,分析冰与船舶结构的相互作用,以及冰载荷的分析方法和计算模型。期望能为冰区航运提供更加可靠和高效的解决方案。

新型冰区船舶涂料的现状研究及发展方向

极地船舶需求增长空间广阔,全球航运市场对于冰区航线的兴趣持续增长。对在冰区航行船舶的船壳水下部分的涂层也有了更高的要求。文章介绍了新型冰区船舶涂料的技术研究方向,为冰区航行船舶船壳水下部分提供坚强的保护,同时还可以帮助冰区船舶更好地提高能效,减少CO_(2)排放。

冰区船舶海水系统及海底门设计

介绍了冰区船舶海水系统的设计要点,并对其中海底门的布置、海水循环管路和应急海水冷却系统进行详细分析说明,为今后的冰区船舶设计提供了参考。

航行于碎冰区船舶冰阻力与冰响应探析

[目的]为了分析冰区航行船舶与碎冰之间的相互作用,[方法]运用离散元模型结合欧拉多相流,对船舶在碎冰区域航行时船体与碎冰之间的相互作用关系进行探索。计算不同航速、不同碎冰密集度下船体的受力情况,并对冰船接触冰时的运动响应进行分析,从直观上解释碎冰阻力的变化原因,以及桨前来冰的运动情况。[结果]得出船体所受冰阻力主要是由碎冰与船体表面的摩擦和碰撞产生,并随航速的增大而增大,但当航速增大到一定值后,碎冰阻力不再增加,甚至还有减小的趋势。[结论]研究的工作可为冰区船型优化及其螺旋桨设计提供理论支撑。

波浪-浮冰作用下冰区船舶阻力性能试验

太原为了研究波浪-浮冰联合作用下冰区船舶阻力性能,本文依托具有造波能力的常规船模拖曳水池,采用石蜡非冻结模型冰,模拟冰缘区波浪-浮冰共存的特殊环境,设计完成了船模在波浪-浮冰联合作用下的阻力性能测量试验。研究发现:在波浪-浮冰共同作用下,浮冰与船模的相互作用加剧,从船艏没入水中并沿船底向艉部滑行的浮冰数量明显增多,可能会对螺旋桨的推进效率产生不利影响。同时,由于波浪-浮冰-船模三者的耦合作用,船模在该工况的总阻力等于静水阻力、波浪增阻和碎冰阻力的简单加和,还需要考虑三者耦合作用的阻力增量。波高以及浮冰的密集度等参数都会对耦合增阻的大小产生影响。

基于AMESim的冰区船舶轴系扭转振动仿真

用AMESim软件建立轴系冰载荷扭转振动仿真模型,对一艘1A冰级多用途船推进轴系进行仿真计算。考虑柴油机调速器对冰载荷冲击导致的轴系转速下降的响应,且柴油机的气体激励力矩和往复惯性力矩随轴系转速的变化而变化。将AMESim的计算结果与系统矩阵法的计算结果作对比,以验证其可靠性。对冰载荷扭转冲击进行了仿真。结果表明,在冰载荷冲击下,轴系转速有很大的下降,当转速下降到柴油机主谐次临界转速附近时,冰载荷激励和主谐次激励出现瞬态叠加,扭转振动响应达到最大值。此外,修改柴油机扭矩限制以提高扭矩余量,这是减少速度下降的有效方法。

《极地、冰区船舶》

7月11日,中国第一艘自主建造的极地科考破冰船'雪龙2'号正式交付,总设计师吴刚认为,在'雪龙2'号的整体设计中,最难处理的就是如何使所有专业需求与船舶系统、当前设备配套状态之间取得最佳平衡点。从'雪龙2'号的设计、建造、试航到顺利交付,相关团队呕心沥血,攻克了重重难关。作为我国第一艘真正意义上的极地科考破冰船,'雪龙2'号的诞生,标志着中国智能极地科考船在设计建造、规范应用与完善、材料设备配套等方面更上一层楼。

浮冰区船舶冰阻力数值计算研究

浮冰是船舶极地冰区航行遇到的一种典型冰况.文中运用商业离散元软EDEM,对冰块进行动力学建模,考虑流体作用对浮冰的影响,对“雪龙号”船模在不同航速、密集度、厚度和尺寸大小条件下的直航运动进行模拟,计算了不同工况条件下的冰阻力大小,并分析了不同航速和不同浮冰参数下冰阻力的特性.结果表明:冰阻力变化趋势随航速增加而增大,但增长趋势减缓;随密集度增加而增大,在高密集度时,增长趋势明显;随厚度的增加而呈线性增大;随浮冰边长的增加而增大,当边长大于0.2 m时,冰阻力保持不变.

冰区船舶碎冰载荷模拟及影响参数分析

本文采用二维离散元法模拟碎冰与船舶的相互作用。运用海冰粘弹性的Kelvin模型,结合船舶与碎冰的耦合运动,通过Newmark法求解三自由度船舶运动方程,计算船舶航行于碎冰区的碎冰载荷。与相关文献进行对比,验证本文数值模型的可行性。研究海冰不同的弹簧系数、粘性阻尼系数与摩擦系数对碎冰载荷的影响。结果表明:二维离散元数值模拟满足计算要求;相比于粘性阻尼系数,弹簧系数与摩擦系数对碎冰载荷影响更显著。本文的研究可为极地船舶碎冰阻力设计和船模实验提供理论帮助。

碎冰模型形状对船舶碎冰阻力数值预报的影响

在数值模拟中,碎冰模型形状对于船舶碎冰阻力预报结果的准确性具有显著影响。本文以某极地环保多用途运输船为案例对象,研究7种数值碎冰模型形状对船舶碎冰阻力预报的影响,建立片状正方形、圆形、正五边形、正六边形、椭圆形、梯形和不规则多边形数碎冰模型,采用CFD-DEM的方法对船舶碎冰阻力进行预报,并将结果与冰水池模型试验相对比。研究表明,7种形状碎冰模型均能很好模拟出模型试验现象,数值计算得到的碎冰阻力值均比模型试验结果高,片状圆形碎冰模型数值计算值高2.04%,在7种形状中误差最小。因此,在以阻力预报为目的船舶碎冰航道航行CFD-DEM数值计算中,建议采用片体形状为圆形的数值碎冰模型。

冰区航行船舶涂料的研究

北极地区拥有丰富的石油、天然气和矿产资源,这些资源的控制对于国家的能源战略和经济发展至关重要。基于此,北冰洋航线新战略地位日益凸显,海上船只和钻井平台的活动也更加频繁。由于受到北极地区等极端天气的影响,船舶在冰冷的水域行驶时,冰块的撞击可能会造成船体的损坏,所以冰区船舶涂料的性能必须达到极高的要求。综述了冰区行驶船舶与冰的作用及冰等级划分,冰区航行船舶涂料要求及现有涂料牌号和性能,旨在为冰区涂料的研究和发展提供借鉴和参考。

典型冰况下极地船舶碎冰阻力模型试验研究

极地船舶航行于夏季冰缘区时,浮碎冰况是遭遇的最主要冰况之一,在此冰况下航行的船舶必须考虑浮碎冰与水的耦合作用对阻力性能的影响。为探索浮碎冰条件下极地船舶阻力性能的模型试验方法及浮碎冰对船舶阻力的影响规律,利用非冻结模型冰开展某型破冰船在不同速度、密集度下的极地船舶阻力试验,同时利用数字图像识别方法,观测不同密集度情况下的碎冰分布变化。试验结果表明:船舶的碎冰阻力随着速度与密集度增加逐渐增加,航行速度为主要的影响因素;船舶速度对碎冰的运动具有显著影响;船舶与碎冰的作用具有随机性,同一工况下的阻力在一定的范围内波动。在此基础上,利用IOT实船换算方法,对船舶在不同航速及密集度下的碎冰阻力进行了预报。

考虑船外板附着冰情况下的船冰碰撞累计损伤研究

采用数值模拟方法对极地商船与大块区域碎冰碰撞产生的冰载荷累计损伤展开研究,利用元胞自动机随机生成区域碎冰,研究考虑船外板附着冰影响下的船冰碰撞的动态响应。结果表明,在考虑船外板附着冰的情况下,船外板的塑性应变与吸收能量都大幅降低,碰撞力峰值没有太大的改变,但对碰撞力的冲量大幅减少。船舶在北极航行时对于结构强度而言船外板附着冰,对船冰碰撞的累计损伤有利。

冰区航行船舶操纵性研究综述

极地资源的开发和北方航道的通航对冰区船舶操纵运动性能提出了更高的要求和挑战。论文梳理了冰区航行船舶遭遇不同冰况时的操纵性特点,分析了冰区船舶操纵问题的本质,对国内外冰区船舶的全尺度和模型的操纵性试验、冰-船相互作用下的操纵性数值预报研究进展进行了介绍。冰区船舶操纵性的研究主要应用基于经验公式的半数值计算方法,仍是一个较新的领域。

中国北方海域冰区航行船舶风险评估预警系统设计与开发

在深入调查研究海事主管部门和港航企业对海冰预警产品需求的基础上,根据自然灾害风险模糊综合评价理论和技术,建立可用于中国北方海域冰区航行船舶的风险预评估模型。使用ENVI软件对NASA的海冰卫星遥感实况和国家海洋局发布的海冰预报信息进行再处理,提取有关海冰密集度和厚度信息作为风险评估的背景场,进而提出冰区航行船舶风险状况动态评估预警系统的设计方案。仿真实例分析结果表明,该系统可动态、直观、有效地给出我国北方海域冰区航行船舶未来的风险状况,可作为保障船舶冰区航行安全的辅助决策产品,供海事主管部门、航运企业和港口生产调度部门使用。

航海模拟器中破冰船破冰阻力数值计算

为研究破冰船在平整冰区所做的直航连续式破冰作业,本文通过非线性显式的有限元方法,模拟了“雪龙2号”科考船在平整冰中的连续破冰过程,分析了船体所受碰撞力特性以及能量变化,并利用破冰船Terry Fox号船模水池试验与“雪龙2号”无量纲化冰阻力系数的数值计算结果对比,证明了本文数值计算的可靠性;本文数值计算结果与经验公式进行对比分析,误差在20%之内,进一步验证了本文数值模拟的正确性;利用“雪龙2号”简化后的楔形体模型,本文研究了船体不同速度、不同破冰角度以及平整冰厚度时船-冰碰撞的响应特性,定性分析了不同工况下的船-冰碰撞过程中船舶受到的碰撞力、能量损耗等规律。同时,利用简化模型楔形体对船舶破冰阻力的参数敏感度进行研究,有利于获得破冰阻力随多参数变化的规律,将在不同工况下得到的破冰阻力平均值利用矩形域最小二乘法曲面拟合出破冰阻力公式。建立适用于运动数学模型实时解算的破冰阻力离线数据库,利用插值方法实时获得冰阻力,为冰区航海模拟器船舶运动数学模型中的冰阻力计算提供一定参考。

碎冰区航行船舶阻力预报数值模拟研究

运用欧拉多相流结合离散元多相相互作用模型对船舶在碎冰区的航行过程进行了数值模拟。计算了不同航速下的船—冰作用力,分析了航速对航行阻力的影响,对碎冰在船体周围的运动状态进行了分析,直观地展示了碎冰的运动规律及在船体周围的分布,进一步分析了船—冰接触力的分布及时历过程,解释了碎冰阻力随航速变化的原因。船体航行阻力随着航速的增加而增加,碎冰阻力随着航速的增加其增加趋势变缓,碎冰阻力中的摩擦阻力减小而清冰阻力增加。

冰区航行船舶冰阻力数值研究进展

数值模拟方法是当前主要的冰阻力研究方法之一,能对船舶破冰的全过程进行快速模拟,具有模拟成本低、参数易于控制和结果较为准确等优点。简要梳理冰区航行船舶冰阻力数值研究进展情况,包括基于网格单元的有限元模型,基于无网格方法的离散元模型、SPH法和近场动力学模型,以及网格模型与无网格模型的耦合方法。基于研究现状,提出尚需进一步解决的问题,为进一步提高冰阻力数值模拟精度提供参考。