【摘要】：冰阻力性能是冰區(qū)船舶重要研究內(nèi)容,是主機功率計算和船型設計的重要依據(jù),對船舶破冰能力和速度等有著直接的影響。目前,對于冰阻力的研究以數(shù)值模擬方法為主,且通常將流體部分簡化為Winkler彈性基底,存在計算精度低等缺陷。為了更真實的模擬船舶的破冰過程,進而對冰阻力進行預報,本文采用自編程的形式,將光滑粒子流體動力學方法(SPH)應用于破冰過程的數(shù)值模擬中。SPH方法是一種拉格朗日無網(wǎng)格算法,其不受網(wǎng)格的束縛,能夠有效地對各物質點的物理量進行顯示跟蹤。同時,容易嵌入多種物質模型,在求解多介質耦合問題中有明顯優(yōu)勢。然而,破冰問題是一種沖擊速度相對較低的、兼顧小變形受力及大變形斷裂的、多介質耦合的復雜問題。因此,若采用SPH方法求解破冰問題,需要對其進行改進。為此,本文首先在深入研究傳統(tǒng)SPH方法的基本原理、控制方程、數(shù)值處理、修正方法等內(nèi)容的基礎上,將修正后的SPH方法應用于簡諧外部激勵作用下的懸臂梁運動問題及材料三點彎曲問題的求解,從而驗證該方法對于求解小變形受力問題的有效性,同時明確SPH方法在處理低速斷裂問題過程中的不足之處。之后,根據(jù)彈脆性冰材料的微觀斷裂機理,建立了一套適用于SPH方法的材料低速碰撞斷裂模型。提出了彈脆性材料斷裂面的處理辦法,并以此為依據(jù)重新定義粒子間的作用關系,提出了材料破損部位的應力損傷模型。進一步引用分子動力學中粒子連接鍵剛度,提出了由于碰撞而產(chǎn)生的接觸力的SPH表達形式。最后,利用冰材料的三點彎曲試驗結果,對斷裂模型和接觸力模型進行驗證。隨后,將材料低速碰撞斷裂模型與SPH方法及其改進算法(CSPM方法)相結合,對破冰機理進行研究。對流體邊界的處理采用兩種形式,即考慮Ventilation現(xiàn)象的彈性邊界,以及考慮真實流體粒子的流—固耦合邊界,分別預報出破冰阻力及浸沒阻力,并通過解析解及實驗結果進行校核,從而驗證采用本文方法處理冰斷裂破碎問題的有效性。最后,基于改進CSPM方法開展了冰區(qū)船舶連續(xù)式破冰問題的初步研究。提出了基于鄰域粒子搜索和點—面映射關系的船體邊界識別方法,以及鏡像粒子生成方法,用于處理形狀復雜的邊界。同時建立了基于三維CSPM方法的船舶水動力計算模型、基于三維改進CSPM方法的船—冰相互作用計算模型以及基于三維改進CSPM方法的船—冰—水耦合作用計算模型。開展了冰—水—船耦合作用下的冰層破壞形式和流體速度分布研究,對比了水阻力和冰阻力的特點,建立了完整的基于改進CSPM方法的冰阻力預報、分析方法。數(shù)值結果表明,采用改進的CSPM方法能夠真實的模擬冰區(qū)船舶破冰過程中冰層的受力及斷裂情況,能夠較好的處理破冰過程中的流—固耦合問題,并且能夠有效地對冰阻力進行預報。
【圖文】：

22 2e --------- 有效摩擦系數(shù)；PR --------- 浮冰邊界層的單位寬度； ----------浮冰的內(nèi)摩擦角；n ----------浮冰孔隙率。[28]基于全尺度試驗，V ance 提出冰厚為0 .46 m和 1 .22 m時的冰阻力表達形式：2 2 0.35 0.650.1209 0.0622ice iR gBh V LB h （1-17）2 2 0.35 0.654.412 0.0306ice iR gBh V LB h （1-18）式中： ----------冰、水密度差；1.2.2 平整冰環(huán)境下冰阻力的數(shù)值模擬及實驗研究方法在船—冰作用過程中，冰阻力主要是由于冰層的破壞和碎冰滑移而產(chǎn)生的，，圖 1.顯示了船—冰作用過程中的各個階段。從圖中可以看出，冰層與船體的作用遵循著冰層擠壓—冰層彎曲破壞—碎冰旋轉滑移—冰槳作用的規(guī)律。并且在整個船舶航行過程中，這樣的循環(huán)重復發(fā)生。

第 1 章 緒論約占總阻力的 50%，并且該項阻力隨速度變化的改變量很小。Lindstr m[43]針對碎冰旋轉滑移過程展開了理論計算研究與 ABAQUS 數(shù)值模擬研究，得到了冰載荷時程曲線及平均冰力。其研究考慮了流體對碎冰運動的影響，船體阻力將包括浮力、和由拖曳力、Ve ntilation現(xiàn)象影響下的壓力。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U661.311

【參考文獻】

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本文編號：2668263