船体结构冰载荷反演方法及试验验证

冰载荷是影响船舶冰区航行期间结构安全的重要环境载荷。船舶的冰压监测通常采用应变传感器，合理地布放传感器是识别冰载荷的基础。通过对比船体外板结构试验中的冲击载荷和不同测试方案下的应变信号，确定了最佳应变传感器布放方案；采用Green核函数方法建立了船体外板结构应变冲击载荷间的响应关系，并对采集信号在噪声影响下反演的不适定性进行了分析；采用Tikhonov正则化方法克服了载荷反演过程中出现的数值不稳定问题；最后将试验中的响应用到载荷识别分析中，反演的载荷可以较为准确地反映冲击载荷的时域特征并且载荷识别精度良好。     

冰区航行船舶冰阻力及六自由度运动响应的离散元分析EI北大核心CSCD

冰阻力是冰区船舶航行过程中的重要影响因素,对船舶航行性能及航行安全带来严峻挑战。该文采用扩展多面体离散元方法建立冰船动力作用过程的三维离散元方法,基于船舶推进功率与推进力间近似关系,将螺旋桨推力、冰载荷、舵力及水动力等载荷分开考虑,开展恒功率破冰船六自由度非线性操纵直航冰阻力及运动响应计算。为验证该离散元方法的可靠性,对比了碎冰区DUBROVIN及平整冰区LINDQVIST冰阻力公式计算结果。基于船舶在不同主机推进功率及复杂冰况下的直航冰阻力计算结果,展开对船舶破冰航速的影响因素分析。在此基础上,给出了船舶垂荡、横摇、纵摇等冰区船舶运动响应模拟结果和极地船舶运动响应预报结果,最后对碎冰及平整冰区船舶冰阻力及运动响应展开了对比分析。该方法可有效计算船舶冰阻力,其模拟结果可为冰区船舶运动响应及航行安全预警提供重要参考。     

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。     

海冰与海洋平台碰撞分析中的可视化方法

针对基于离散元方法的海冰与海洋平台结构碰撞分析系统,对运行于CPU GPU异构高性能计算平台上的大规模粒子模拟进行可视化方法的研究.使用OpenGL完成不同规模的平整冰、浮冰、冰脊和不规则形态海冰的呈现,不同形状海洋平台结构与受力网格的绘制,海冰粒子的运动轨迹与速度的表达,海浪效果的模拟以及碰撞过程的动画演示等.通过定义合理的交互模式与接口,在一定程度上融合GPU加速的离散元计算与后处理显示,基于多进程管道通信、多线程并行输出等实现在GPU加速计算的同时实时显示粒子模拟计算结果.该方法在帮助研究者随时掌握程序执行状况的同时,大幅减少后续传输、处理和存储的数据.     

返回舱着陆姿态和动力响应的DEM-FEM耦合分析

针对返回舱安全着陆问题,采用陆面颗粒离散元模型（discrete element model, DEM）与返回舱壳体有限元模型（finite element method, FEM）相耦合的方法,对返回舱回收着陆过程的动力特性进行数值分析,并与试验结果进行对比,验证计算结果的正确性。分析讨论垂直和倾斜2种着陆姿态的返回舱结构应力分布,从冲击能量的角度讨论陆面颗粒对其缓冲作用。对影响返回舱回弹响应的主要因素进行分析并提出相应的改进方法。结果认为：陆面颗粒是返回舱着陆冲击能量吸收的主体,且倾斜着陆时陆面颗粒吸能占比更加显著;当陆面颗粒之间的摩擦因数较小或返回舱质量较大时,返回舱着陆的回弹速度相对较小。     

基于离散元方法的竖直群桩冰荷载分析

在高纬度海域或高寒地区的江河中,碎冰对海洋平台桩腿和桥墩等直立群桩结构产生很大的冲击作用,并在一定条件下造成不同程度的破坏。依据碎冰在自然条件下的离散分布特性,采用Voronoi切割算法构造随机分布和具有非规则几何形态的碎冰初始状态,在此基础上采用若干个具有黏结-破碎功能的球形颗粒构造具有一定厚度、尺寸和形状等物理参数的河冰离散单元模型,将竖直群桩简化为刚体结构,从而对碎冰的运移及其对群桩的冲击作用进行数值模拟。在此基础上可确定碎冰撞击下的群桩冰荷载,并分析冰块尺寸、冰速和冰厚对桩结构所受冰荷载的影响。     

渤海海冰的重叠长度分析

基于渤海海冰现场观测资料,分析了重叠冰的基本特征;综合考虑海冰重叠过程中的屈曲破坏和挤压破坏模式,建立了计算一维重叠冰和二维指状冰重叠长度的力学模型,并依此对不同冰厚条件下的海冰重叠长度进行了计算。结果表明：海冰重叠长度主要由海冰屈曲破坏条件来决定;在相同冰厚条件下,指状冰的重叠长度约为一维重叠冰的1／2左右。     

渤海冰脊分析及其设计参数

在冰脊实测资料的基础上,分析了压力冰脊的几何特征;综合考虑冰脊形成过程中的弯曲破坏和屈曲破坏模式,建立了冰脊帆高的力学模型;给出了渤海不同海区不同重视期的冰脊设计参数。以上工作可用于渤海海水数值模拟以及近海工程设计中的冰脊参数计算。     

新型北极冰区半潜式钻井平台及其系泊定位能力分析

为降低北极海上油气勘探开发成本,迫切需要适合北极作业的海洋工程装备。针对这一问题提出一种可以用于北极海上钻井作业的新型半潜式钻井平台概念。该平台采用6立柱双浮筒形式,平台立柱上部设计为倾斜形式以降低作用在平台上的冰载荷。为保证破碎后的海冰不影响钻井作业,平台设计立管防护装置和锚链防冰装置。分别对平台设计条件、主尺度、系泊系统设计情况进行介绍,并采用商业分析软件对平台在夏季和有冰季节的系泊定位能力进行分析。分析结果表明：该半潜式钻井平台可在北极夏季开阔水域和冬季海面结冰情况下进行钻井作业;平台可在1.0 m厚的海冰作用下保持作业能力,在1.5 m厚的海冰作用下保持自存能力;平台系泊定位能力满足北极钻井作业的要求。     

基于离散元方法与水动力学耦合的河冰动力学模型

流凌和冰坝是我国北方冬季比较常见的河冰现象,尤其冰坝,可导致严重的凌洪灾害,是河冰研究中的重要部分。本文将离散单元方法与二维水动力学相耦合,建立河冰的动力学数值模型,以模拟河冰输移、聚集、堆积,以及冰坝形成的动力过程。针对河道中大量密集且几何形状随机的流冰现象,采用扩展多面体单元对冰块进行构造,并通过离散元接触模型表征河冰输移和冰坝形成过程中冰块间的相互作用。河流水动力部分则采用考虑河冰影响的二维非定常浅水方程进行描述,并采用有限元方法进行数值计算。冰水耦合中的计算参数由河冰离散单元与其所在水动力学有限元网格节点的位置插值计算得到。通过对冰盖封河造成水位抬高过程的数值模拟,并将计算结果与理论分析结果以及DynaRICE河冰模型的模拟结果进行对比,以验证模型的有效性。在此基础上,对规则河道中河冰输移、堆积和形成冰坝的过程进行数值模拟和结果分析。通过以上河冰离散元与水动力学的耦合方法及其对河冰动力过程的数值模拟,对河冰动力过程从细观角度进行新的认识并为河冰动力过程研究提供一种有效的数值方法。