航行体出水破冰的多场耦合效应与相似律

航行体出水破冰中的耦合效应及载荷特征,是出水冰结构安全性评估的重要依据.针对航行体出水破冰问题,通过量纲分析,获得了影响航行体动载荷及头部应力的主控参数和相似律.基于LS-DYNA流固耦合计算方法,得到了航行体在不同冲击速度、冰层厚度、冰层大小条件下的载荷特性.计算结果表明,航行体速度越大,不同冰层对其过载和头部应力的影响差别越大,这主要是因为航行体速度越大,通过水介质对不同冰层的前期破坏程度不同.对于无限大冰层,当其厚度大于3倍航行体直径时,航行体穿冰后期呈现稳定侵彻现象,航行体的过载和头部应力只与航行体的速度和冰的动力学性能相关;而对于薄冰,航行体速度越大,其头部应力反而越小,这是因为航行体初速度越大,其通过水的运动对冰的前期冲击破坏越严重,冰层易开裂上鼓,所以造成航行体头部应力较小.对于径向尺寸为6倍航行体直径的碎冰,当其厚度大于5倍航行体直径时,碎冰对航行体运动特性的影响和无限大冰层几乎相同;而当其厚度小于3倍的航行体直径时,只有在初速度较低时,碎冰的尺寸效应才可以忽略.此外,对比碎冰和无限冰层对航行体运动的影响可以看出,越厚的冰受前期水的冲击破坏越小,碎冰和无限冰层的影响规律基本一致;而较薄的冰在前期水的冲击下破坏严重,碎冰和无限冰层对航行体运动的影响都较小;只有中等厚度的冰,在较高冲击速度下碎冰和无限冰层才表现出径向尺寸效应相关的破坏程度,如无量纲厚度为3的两种冰在航行体较高初速度40 m/s的条件下前期破坏差别较大,导致后期对航行体运动特性的影响具有显著差异.

航行体水下垂直发射破冰出水数值模拟研究

航行体破冰出水是一个冰-水-固多物理场耦合作用的复杂过程。本文基于键型近场动力学方法、边界数据浸入法以及刚性接触算法,建立了冰-水-固多物理场耦合的数值计算方法。首先,基于高速球体入水实验平台开展了圆球破冰入水实验,并利用实验结果对数值计算方法进行了验证。进一步基于数值计算方法研究了航行体水下航行阶段、破冰阶段、与冰层脱触等阶段动力特性,精确地捕捉到了破冰阶段冰层裂纹发展的典型特征:径向裂纹产生、径向裂纹延伸、交叉裂纹生成、环向裂缝生成。分析了不同冰厚对航行体垂直破冰出水过程的动力特性及冰层破坏特征的影响。结果表明:随着厚度的增加,航行体所受冰载荷越大,速度损失也越大,不易形成环向裂纹。