极地船舶直升机综合保障方法研究

为满足我国日益增加的极地船舶航空保障需求,有必要提出1套符合极地低温、结冰等极端环境条件下的船舶航空保障方法。该文通过对现行常用极地规范、标准及实船配置的研究,分析其与极地极端环境不相称之处,并借鉴国内外相关系统,提出针对性的改进方案。这些改进后的极地船舶航空保障方法,可有选择性地应用于未来极地船舶的设计和建造中。

航道碎冰条件下极地船舶冰压力分布特性

[目的]为研究船舶与碎冰作用过程中船体冰压力的分布情况,对航道碎冰条件下的极地船舶进行数值模拟分析。[方法]采用离散元法(DEM)对船舶与碎冰进行建模,假设碎冰是由理想的二维圆盘构成,并考虑海流对碎冰单元的浮力、拖曳力及附加质量的影响;利用MT Uikku号冰水池模型试验结果对数值模型进行验证,对比分析不同航速和冰况对船体区域冰压力的影响。[结果]结果显示,当船舶在航道碎冰中运动时,冰载荷主要集中在船首;船首区域的冰压力随冰厚、航速和碎冰密集度的增加而增大,其中冰厚是影响冰压力幅值最大的因素;碎冰区航行船舶的首部区域冰压力影响最大,船首过渡区冰压力影响显著。[结论]所提数值分析方法可为极地船舶安全航行和结构设计提供一定的参考。

极地船舶冰区航行性能的试验预报技术发展现状

对于极地船舶而言,其设计建造必须依据先验性的冰区航行安全性能认识,而目前国际上可以借鉴的实船航行经验极度匮乏,这就必须借助有效可靠的预报方法。当前海冰力学与工程学的发展仍处于机理性探索阶段,因此,在理论方法与数值模拟上尚难以形成对冰区航行性能进行可靠预报的方法。据此,国际学术界和工程界已形成共识,冰水池模型试验是当前预报与评估船舶冰区航行性能的唯一可靠途径。文中从阻力、快速性与操纵性3个方面,对极地船舶冰区航行性能的试验预报技术发展现状进行介绍,并对其中的关键技术进行梳理,以期为业界充分了解冰水池试验测试技术提供借鉴。

极地船舶冰区航行中冰激结构疲劳的累积损伤分析

极地船舶在冰区航行中经常与各种类型的海冰发生不同程度的碰撞,充足的疲劳强度储备至关重要。本文提出了基于实测冰载荷的极地船舶结构冰激疲劳的累积损伤分析方法。以“雪龙”号极地考察船为研究对象,通过对我国第8次北极科学考察中的冰厚和航速等现场测量数据进行统计分析,在冰厚0.5~2.5 m、航速2~12 kn范围内构造冰激疲劳工况,并将二者的联合概率分布作为疲劳工况的发生概率;基于支持向量机方法反演识别出典型工况下的冰载荷时程,通过动力学分析确定关键位置及相应的热点应力,并采用雨流计数法统计应力循环次数;最后通过S-N曲线和Miner线性累积损伤理论进一步计算该航次内的疲劳损伤度,验证了“雪龙”号在冰区航行的安全性。本文对极地船舶结构的抗冰设计和安全评估具有一定的参考意义。

极地船舶防寒设计研究

冰冻是极地船舶最常见的问题,会影响船舶的安全性和设备系统的可操作性,所以暴露在寒冷天气下的船舶系统和设备应满足相应的防寒要求,以实现防冰和除冰效果。本文梳理了中国船级社(CCS)的相关防寒规范指南,并通过分析全船不同区域对象的防寒需求,重点对机舱通风、冰海水门、液舱防冻和甲板机械等设备系统的防寒技术进行了研究,总结了相应的主要防冻措施,以期对航行于寒冷地区船舶的设计有所指导。

极地船舶冰载荷研究方法综述

梳理了船冰相互作用时冰载荷的研究方法,从理论分析法、试验方法和仿真模拟方法三个方向进行了分类综述。首先,阐述了理论分析法中直接计算法和概率法的原理和适用性,着重论述了直接计算法分别在总体冰载荷与局部冰载荷的应用。其次,重点介绍了试验方法中的室内模型试验和实尺度实测的研究成果和进展,并指出试验方法在海冰制备、设备环境等方面的研究难点。然后,比较分析了仿真模拟方法中的有限元法和离散元法,简述了各自的优缺点与适用范围,认为有限元法在分析结构失效、断裂等过程中有一定的优势,但对冰的破碎过程的模拟则不如离散元法。最后,讨论总结了船冰相互作用时冰载荷研究方法发展趋势和存在的问题,为领域学者提供一定的参考。

低气温条件下极地船舶舷侧压载舱温度场数值模拟研究

[目的]旨在分析极地低气温环境温度及压载水容量对极地船舶压载舱温度场分布的影响。[方法]采用流体体积法(VOF)模型模拟气-液两相,标准k-ε湍流模型模拟流体运动,建立极地船舶压载舱热传递的数值分析模型,分析低气温条件下压载舱温度场的动态变化过程,揭示多环境温度和多装载高度对压载舱温度场的影响机制。[结果]随着热传递的持续发生,舷侧压载舱水线以上区域的温度快速下降,降温区分别沿横向向舱内延伸和沿舱壁向下延伸;当压载水较多时,由于水的热容大,舱室温度场相对稳定,但空气热容低、温度场变化大,易出现气旋并进一步影响计算域的温度场分布;在相同压载水容量条件下,外界环境温度越低,内外温差越大,热交换越剧烈,压载舱温度变化越迅速。[结论]采用VOF两相流模型和标准k-ε湍流模型可以较好地揭示极地低气温环境下压载舱温度场的时空演化特征,分析内、外部热边界条件变化对压载舱温度场变化的影响,可为极地船舶压载舱防寒/防冻结提供必要的技术参考。

极地船舶规范及其主要技术发展

通过梳理极地船舶国际公约、规范技术现状,分析中国船级社建立的极地航行船舶规范特点,并结合我国极地战略及发展需求,总结未来极地船舶规范的技术发展趋势。针对极地船舶破冰技术、防寒技术和航行及保障技术等重要关键技术问题,从船舶结构冰载荷技术、冰载荷作用下的结构强度计算、冰载荷激励下螺旋桨和轴系强度、极地船舶防寒设计与低温试验验证、极地操作能力评估和冰区操作船体监测技术等方面进行阐述,提出了发展建议,为未来我国极地船舶规范体系的自主构建提供技术支持。

极地船舶装备气电立焊的焊缝接头性能分析

极地船舶长年行驶于低温的极地环境,且时常遭受浮冰撞击,其焊缝接头要求具备较高的综合性能。文中对极地船舶装备气电立焊(EGW)的焊缝组织和性能、残余应力和变形进行系统研究分析,优化EGW的焊接工艺,提高焊接接头的可靠性,降低焊接变形和残余应力,助力极地船舶高效焊接工艺推广应用。研究结果表明:坡口间隙增大线能量升高,焊缝低温韧性稳定性降低,热影响区低温韧性显著下降,焊缝的残余应力和变形显著增大。采用氧化物冶金、氧化冶金等技术研制的大线能量钢板,可有效提高热影响区的低温韧性,提高焊接接头的可靠性。

极地船舶与浮体结构物力学问题研究综述

北极航道的开发和极地资源的勘采为船舶与海洋工程装备设计制造提供了良好的发展契机,但极地极端载荷环境所引起的复杂力学问题也相应地提出了巨大的挑战。为此,本文首先梳理极地航行船舶与浮体结构物涉及的基础力学问题,回顾并讨论国内外在相关力学问题方面的研究进展和技术难点,对于极区波浪传播的理论模型,分析了质量荷载模型,弹性薄板模型,粘性层模型和粘-弹性模型的优缺点和适用性;对于海冰力学行为的数值方法,阐述了有限元法(FEM)和离散元法(DEM)的数值模拟进展;对比了冰区船舶的自由航行和约束船模实验等。本文为航行船舶与浮体结构物的研发提供了一定的参考。

我国极地船舶能力分析与发展建议

"冰上丝绸之路"是"一带一路"倡议的有效延伸,维护我国海外利益以及拓展我国大国地位的重要体现,是贯彻落实海洋强国战略实施的重要路径。建设"冰上丝绸之路",开发利用北极航道,迫切需要极地船舶的装备支撑。本文对比分析国内外极地船舶现状,从极地破冰船、科考船、运输船、邮轮、渔船等船型发展角度,评估我国极地船舶总体能力,凝练我国极地船舶的差距与短板,提出满足未来发展需求的建议措施,为我国提升极地活动能力、治理能力与业务能力提供指导。

极地船舶用低温耐磨涂料的制备及性能研究

采用异氰酸酯封端的聚氨酯与纳米粒子增韧环氧树脂,利用耐磨填料(包括硬质填料和减阻填料),降低涂层磨耗量及表面摩擦系数,使涂层具有优异的耐磨性,从而满足极地低温环境下环氧防腐涂层的耐冲击性和耐磨性要求。通过傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、三维光学显微镜、扫描电镜(SEM)研究了增韧环氧树脂的结构,并探究了聚氨酯、纳米二氧化钛、耐磨填料的添加量对涂层拉伸强度、断裂伸长率、耐冲击性、磨耗量及摩擦系数等柔韧性和耐磨性的影响。结果表明:采用聚氨酯与纳米二氧化钛增韧环氧树脂能有效提高涂层的断裂伸长率、耐冲击性及拉伸强度,同时在硬质填料和减阻填料的协同作用下,涂层在低温环境中具有优异的耐磨性、耐冲击性及柔韧性,可适用于极地低温环境下的船舶防护。

破冰船引航下极地船舶结构冰荷载的离散元分析

采用破冰船引航的方式可有效保障商船在极地冰区的航行安全。通过基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体构造任意形态的海冰单元,同时发展基于扩展多面体单元的粘结失效模型模拟海冰的破碎过程,从而建立基于扩展多面体的离散元方法。采用扩展多面体离散元方法模拟船舶冰区航行过程中的船-冰相互作用,并分析船舶结构上的冰载荷。根据"雪龙号"船体结构模型,采用扩展多面体离散元方法模拟了单船破冰条件下的冰荷载,通过船舶抗冰设计中常用的冰阻力Lindqvist公式和Riska公式校核离散元计算结果。对比结果表明,扩展多面体离散元方法与相关公式计算结果相近,对船舶结构冰荷载的模拟精度较好。采用离散元方法计算了引航条件下破冰船和货船上的冰荷载,分析不同航速和船宽比条件下两船上的冰阻力大小和特点。扩展多面体离散元方法可有效用于船舶结构的冰荷载分析,其计算结果可为冰区船舶设计和航行安全提供重要参考。

极地船舶冰阻力经验模型研究

为了获得某极地船舶初始设计阶段的冰阻力值,采用了包括Lindqvist、Keinonen、Riska和Jeong模型在内的冰阻力经验模型对一艘极地船舶的冰阻力进行估算,并将计算结果与模型试验结果进行了比较。同时,对冰阻力经验模型开展了参数研究。研究结果可用于指导极地船型初步优化设计,为极地船舶冰阻力数值预报方法的开发提供参考。

不同海冰失效模式下极地船舶冰载荷计算分析

基于700TEU极地PC5级多用途集装箱船,应用冰载荷解析算法,分别计算分析2种主要的海冰失效模式下,航速、冰厚对船体首部区域冰载荷影响,拟合得出它们之间的量化关系曲线。结果表明:不同的海冰失效模式下,航速、冰厚与船体首部区域冰载荷的量化关系有显著区别;2种主要的海冰失效模式将随层冰厚度、航速变化而发生转变。

基于数值计算的极地船舶冰阻力预报研究

为预报船舶破冰航行过程的冰阻力,采用非线性有限元法建立海冰数值模型,通过模拟冰样弯曲强度试验过程验证其可行性.在满足目标海冰弯曲强度的基础上,考虑浮力和拖曳力的影响,计算碎冰在水中运动时的作用力.模拟了船舶破冰过程中冰层的内裂纹的形成和扩展、碎冰块的运动等现象,对不同冰厚和航速下冰阻力的分析,该方法能够较好地反映冰厚和航速等对冰阻力影响.通过仅考虑破冰过程的方式计算破冰阻力,得到的破冰阻力在总阻力的占比与经验公式结果吻合较好,验证了该方法的可行性.

极地船舶吊舱推进器的功率匹配研究

[目的]为了提高吊舱推进极地船舶设计的针对性和适用性,需开展功率匹配研究。[方法]根据国外各类冰级划分规则和实船调研结果,明确不同冰级船舶在北极的四季可航范围。基于Lindqvist公式计算3艘极区典型吊舱推进船舶的冰阻力,从而估算吊舱推进船舶的需要功率。通过调研市场上较成熟的吊舱推进器产品,建立一种极地船舶吊舱推进器的初步选型方法。[结果]结合目前主流吊舱推进器的单机功率和布置型式,得出了各类船型在不同冰级下的功率匹配结果和初步选型建议。[结论]研究成果可为设计阶段的吊舱推进器选型工作提供参考。

极地船舶装备关键基础技术研究进展综述

北极地区自然资源十分丰富、战略地位重要,世界各国正积极参与北极航道开发,因此,对通行北极的船舶装备关键基础技术研究非常必要。极地船舶装备涉及的关键基础技术较多,但对其核心关键技术没有系统性研究,通过查阅文献和适当调研后,分析了国内外极地船舶装备关键技术的现状,综述了极地船舶的破冰技术、防寒除冰技术、加热技术以及耐低温技术等关键基础技术研究现状及进展,梳理了各种极地技术需求,对比了各种技术中不同方法的优劣,指出各项关键技术的应用情况,提出了我国发展极地船舶装备关键技术的建议,不断研究新技术、新方法,达到对极地船舶装备关键基础技术分析的发展趋势提出建议的目标,以期为后续研究提供建议与参考。

极地船舶积冰计算及其对参数横摇的影响分析

[目的]航行于极地地区的船舶容易出现积冰现象,导致船舶稳性降低,对参数横摇产生不利影响。而现行的《极地规则》中关于积冰的计算没有考虑环境的影响,无法真实反应船舶积冰的实际情况。为此,[方法]借鉴国内外船舶积冰预测模型研究,采用VB和MATLAB软件开发出有关船舶积冰重量及重心位置的数值计算程序,然后针对2艘样船,对其在不同航速及海况组合下进行考虑结冰后的参数横摇第1层薄弱性衡准计算,分析不同因素对船舶参数横摇薄弱性的影响。[结果]结果显示,风速、航速的增加以及温度的下降都会对参数横摇产生不利影响。[结论]所做研究可为船舶积冰计算,以及参数横摇薄弱性衡准在极地航区的推广应用提供参考。

失效测点影响下极地船舶结构冰载荷的有效识别方法

冰载荷是极地船舶在冰区航行时受到的一种极端环境载荷,而对船体结构的现场监测是研究冰载荷的重要途径。一般通过在船体结构上安装应变传感器直接测量冰载荷引起的应变响应;采用影响系数矩阵法根据应变响应反演识别冰载荷。然而当应变传感器无法正常工作时,识别结果的准确性将难以得到保障。通过对典型极地船舶舷侧板架结构的有限元分析,研究了测点失效对识别结果的影响。基于对“天恩号”多用途冰级船实测应变数据以及典型极地船舶舷侧板架结构有限元应变数据的深入分析,确定了测点应变的空间分布规律,并进一步提出了失效测点影响下基于最小二乘拟合的冰载荷识别方法。在此基础上,较为准确地识别出7种典型工况下的冰载荷,大幅降低了识别误差,最终验证了该方法的有效性。