[发明专利]一种冰船接触过程数值计算方法

说明书

一种冰船接触作用数值计算方法，属于冰区船舶航行性能计算领域。本发明结合近场动力学方法和冰船接触区域识别方法，开展冰船接触过程数值模拟和计算，首先将冰场实体结构离散成一系列冰物质点，并初始化所有冰物质点密度、体积、速度、加速度参数；将需要计算的船体三维模型离散为一系列四边形面元形式；采用冰‑船接触区域识别算法进行当前时刻所有冰物质点与船体结构的接触判断以及冰载荷的计算；基于近场动力学方法计算当前时刻在接触作用下海冰粒子的破碎情况；每个时间步都进行冰船接触区域和近场动力学方法计算海冰破碎，直到到达最大时间步结束计算。本发明应用冰船接触检测方法可以有效进行冰粒子和船体的接触识别，并计算出瞬态冰载荷。

技术领域

本发明属于冰区船舶航行性能计算领域，具体涉及一种冰船接触作用过程中瞬态冰载荷的预报及海冰破碎过程数值计算方法。

背景技术

随着全球气候变暖，极地地区潜在的政治、经济、科技和军事价值日益突显出来，并已成为世界各国争夺的重要战略要地，包括我国在内的世界各国越来越重视极地科考和开发工作。破冰船作为保证极地安全航行的重要交通工具，在其中发挥着不可替代的作用。破冰船多航行于极地地区或者冰覆盖面积较大的地区，海冰将成为影响破冰船运动性能的主要因素。实船试验和模型试验研究表明，破冰船破冰过程中，海冰的破碎过程包括了多种模型，包括挤压破坏、压屈破坏和弯曲破坏等。由于海冰的物理和力学性质复杂以及破坏形式有很大的随机性，给船-冰相互作用下的数值预报带来很大的困难。船-冰相互作用下的冰载荷要比水动力载荷大很多，对破冰船破冰能力和运动响应的控制载荷有较大影响。破冰船破冰过程和载荷的预报方法有助于深入研究破冰船的冰区航行性能，对指导破冰船的设计和安全运营有着重要的意义。

国内外学者已采用实船试验、模型试验、经验或半经验公式的理论方法等手段开展破冰船的冰载荷预报方面的研究。实船试验虽然在冰阻力值的测量和冰层破坏模式的观测上有着不可取代的作用，但是试验的准备和实施过程耗时耗力，需要花费大量的金钱，因此实船试验很难成为一个理想的方法。模型试验能够很好地克服实船试验的缺点，随着模型试验技术的提高，其结果的准确度已经十分接近于实船试验，而且花费却比实船试验大为降低。近年来，大量破冰船试验已改为采用模型试验的方式来进行。经验或半经验公式的理论方法使用起来比较方便，可准确地预报常规破冰船在平整冰中航行阻力，在破冰船方案论证阶段发挥较大的作用。但是这种方法通常是依靠对已有的实验数据统计学分析建立的模型，没有考虑破坏形式、冰层温度和强度、船舶自身的特点等的影响，其准确性和科学性缺乏保证，应用范围也比较有限。采用数值预报方法预报和分析冰船相互作用问题依然是一个有效的方法，必须采用更为先进的数值计算方法以解决此类问题。近场动力学方法是一种无网格方法，在计算断裂和大尺度变形问题具有独特的优势，非常适合海冰破碎问题。可以预见，未来近场动力学方法将会成为解决冰船接触问题重要的一种数值预报方法。

本发明便是基于近场动力方法建立的一种冰船接触数值计算方法。依据本发明建立的冰船接触过程数值计算方法，可开展多种工况下的冰船相互作用数值模拟。较为通用的是利用FORTRAN语言自编程序实现，当然也可采用其他高级语言实现。采用近场动力学方法解决冰船接触问题，海冰采用的是近场动力学模型，将船体表面考虑成刚性固体且不发生变形，并采用接触检测理论识别冰船接触位置，可形象模拟冰船作用过程中海冰破碎过程，并计算船体受到的瞬时冰载荷，对开展冰区船舶航行性能研究有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于建立一种冰船接触过程数值计算方法，能够准确地模拟出海冰的动态破碎过程，并计算出瞬态冰载荷。

本发明的目的是这样实现的：

一种冰船接触过程数值计算方法，包括以下步骤：

(1)确定冰船接触计算工况，包括船的航速，冰场的物理和力学参数、尺度；

(2)根据冰场的物理和力学参数、尺度，将冰场离散成一系列冰物质点形式，初始化所有冰物质点密度、体积、速度和加速度参数；