極地船舶與推進(jìn)裝置的冰載荷數(shù)值預(yù)報(bào)分析.pdf

1、近年來(lái)，隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)北極航道以及極地資源開(kāi)采關(guān)注度逐漸提升，冰區(qū)船舶的研究受到更多的重視并取得了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。冰區(qū)船舶航行的多工況性使其工作環(huán)境較常規(guī)船舶有很大不同，特別是在破冰航行狀態(tài)，破冰船會(huì)受到較大的破冰阻力，對(duì)船體的航行性能產(chǎn)生較大的影響。隨后部分碎冰會(huì)沿船體表面下浸至船底，并滑入螺旋槳前流場(chǎng)中，與船艉部的螺旋槳發(fā)生銑削碰撞，在螺旋槳表明產(chǎn)生冰載荷，影響槳的水動(dòng)力性能等。然后，槳葉所受到的冰載荷通過(guò)推進(jìn)軸系傳遞至推進(jìn)系統(tǒng)的其他構(gòu)

2、件，對(duì)整個(gè)軸系產(chǎn)生較大的破壞影響。
　　為了探討冰區(qū)航行船舶在連續(xù)式破冰和沖撞式破冰下船舶受到的破冰阻力與流體阻力受航速、冰厚的影響規(guī)律。首先運(yùn)用顯示動(dòng)力軟件LS-DYNA，選用某極地科考船，建立船-冰-流耦合模型，分析破冰船不同航速下、不同冰厚下船體受到的冰阻力、水阻力和冰排的變形損傷。在破冰航行過(guò)程中，冰排有明顯的斷裂損傷，并在船體表明和船后都有大量碎冰堆積。計(jì)算發(fā)現(xiàn)破冰船的冰阻力隨著航速增大而增大，隨冰厚的增大而增加;對(duì)于流

3、體阻力，其數(shù)值大小隨冰厚的變化對(duì)流體阻力的大小影響不大，但其隨航速增大而增大。
　　進(jìn)一步分析部分碎冰滑入船底與螺旋槳的銑削碰撞，采用SPH粒子模擬海冰，進(jìn)行冰-槳-流一體的數(shù)值計(jì)算。在計(jì)算前首先介紹了海冰在拉伸破壞和壓縮破壞下的力學(xué)性能，分析其在單軸加載、雙軸加載、三軸加載形式下的海冰裂紋萌生擴(kuò)展形式。并根據(jù)國(guó)外的高速球型冰沖擊鋼板實(shí)驗(yàn)對(duì)本章的數(shù)值仿真方法進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果滿意，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為貼合。隨后選用Rclass冰級(jí)槳模型

4、，建立其三維模型，分析了冰槳銑削過(guò)程中海冰的破壞模式和螺旋槳表面受到的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上改變?nèi)N銑削深度，分別計(jì)算了9個(gè)進(jìn)速系數(shù)冰槳銑削過(guò)程。繪制冰槳接觸力系數(shù)和冰載荷扭矩系數(shù)與進(jìn)速系數(shù)的關(guān)系曲線，并將曲線趨勢(shì)與文獻(xiàn)計(jì)算的大側(cè)斜槳進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明冰載荷的大小隨銑削深度增大而增大;當(dāng)進(jìn)速系數(shù)較低時(shí)，冰載荷的大小與進(jìn)速系數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)，隨后當(dāng)遮蔽系數(shù)為零的時(shí)候，冰載荷大小隨著進(jìn)速系數(shù)的增大而減小。
　　為了分析槳葉受到的冰載

5、荷進(jìn)一步對(duì)整個(gè)推進(jìn)軸系的影響。采用顯隱式結(jié)合的動(dòng)力方法，對(duì)某冰區(qū)軸系系統(tǒng)進(jìn)行了靜動(dòng)態(tài)分析。文章中首先對(duì)該推進(jìn)軸系進(jìn)行簡(jiǎn)單的校中計(jì)算，計(jì)算得到在自重下各個(gè)軸承的支反力、剪力、彎矩、撓度等結(jié)果，隨后進(jìn)一步分析后托架軸承的剛度與支撐點(diǎn)的改變對(duì)軸系負(fù)載均勻性的影響，為軸系的合理設(shè)計(jì)提供支持。在此基礎(chǔ)上，用顯示動(dòng)力法進(jìn)行變參數(shù)的冰槳碰撞數(shù)值計(jì)算，變參數(shù)主要包括海冰徑向位置的改變、海冰大小的改變和海冰速度的改變，隨后提取冰槳接觸總載荷的軸向力Fx，