[发明专利]冰—船相互作用模拟方法

权利要求书

1.冰—船相互作用模拟方法，其特征在于按照以下步骤进行：

1)建立基于断裂力学的冰阻力模型；

2)船舶在平整冰原中直线航行；

3)船舶在冰原中回转运动；

4)移动裂纹断裂单元计算方法；

5)运用有限元方法模拟计算和分析移动裂纹断裂单元在船舶通过大面积冰原时的破冰过程以及船舶所承受全局冰载荷。

2.按照权利要求1所述冰—船相互作用模拟方法，其特征在于：所述建立基于断裂力学的冰阻力模型是船舶在大面积冰原中破冰前行时，船舶前方的海冰不断被破坏和分离，由碎冰区形成船舶通行的航道，针对海冰特性，将大面积平整冰原中航行船舶的破冰过程，抽象成平板中有限长度的移动裂纹模型，船舶在大面积冰原中破冰前行时，其形成的碎冰区可考虑成移动的直线段裂纹和圆弧段裂纹。

3.按照权利要求1所述冰—船相互作用模拟方法，其特征在于：所述船舶直线航行过程分为四个阶段，当船舶开始进入冰原时，此时船舶破冰过程可以视作裂纹长度不断增加的单边裂纹问题；随着船舶逐渐驶入冰原中，此时船舶破冰过程可以视作为偏心裂纹问题；而后，随着船舶的航行，冰原中航行船舶破冰过程可以视作为无限大板中的中心裂纹问题；最后，当船舶驶出冰原时，可以视作裂纹长度不断减小的单边裂纹问题。

4.按照权利要求1所述冰—船相互作用模拟方法，其特征在于：所述船舶回转运动视作为圆弧裂纹问题，船舶在平整冰原中的回转运动过程主要发生在船舶的航行过程中，对应于直线航行时的阶段二和阶段三，因而无需特别考虑船舶驶入和驶出冰原的情形，对应于直线航行时的阶段一和阶段四。

5.按照权利要求1所述冰—船相互作用模拟方法，其特征在于：所述移动裂纹断裂单元计算方法首先采用虚拟裂纹闭合法计算裂纹尖端的应变能释放率，其次，利用移动裂纹断裂单元实现裂纹扩展，将一系列移动裂纹断裂单元预置在船舶航行路径上，利用基于应变能释放率的失效准则判断裂纹是否扩展，通过裂纹的起裂与闭合，实现裂纹的移动，模拟船舶在大面积冰原中航行时破冰过程，船舶回转运动时，将裂纹尖端节点力和裂纹后端张开位移从整体坐标系转换到局部坐标系中，然后，在局部坐标转中应用虚拟裂纹闭合法极端裂纹尖端应变能释放率。

6.按照权利要求1所述冰—船相互作用模拟方法，其特征在于：所述运用有限元方法模拟计算和分析移动裂纹断裂单元在船舶通过大面积冰原时的破冰过程以及船舶所承受全局冰载荷是首先，针对海冰的力学特性，通过数值试验，确定海冰断裂参数与船舶破冰速度之间的依赖关系，接着，应用移动裂纹断裂单元模拟船舶在平整冰原中直线航行时的破冰过程，研究此时船舶所承受的全局冰载荷与航速、水线面宽度等参数之间的关系，最后，应用移动裂纹断裂单元模拟船舶在平整冰原中回转航行时的破冰过程，研究船舶做回转运动时所承受的全局冰载荷与航速、水线面宽度等参数之间的关系，进一步进行船舶直线破冰和回转破冰时所承受的全局冰载荷的比较。