极地航行船舶冰力预报的层冰破坏模型

汪玉兰++何鸣++张强

【摘 要】随着极地战略的提出，对极地船舶的相关研究受到越来越多的重视。在对极地航行船舶进行冰力预报前，需要研究层冰的破环机理，建立合适的层冰破环模型。所有数学模型方法和仿真方法都是建立在一定假设之上的，根据已有的研究基础，本文对极地航行船舶与层冰的相互作用进行理论分析，基于船舶破冰过程中的各种理想化假设，对船舶的破冰过程进行简化，使其在工程计算中具有可行性。

【关键词】层冰；冰力；层冰破坏模型

0 前言

目前对层冰破坏机理的研究是一个较前沿的课题，冰力预报方法多是基于试验的回归公式，国内现在尚处于研究的起步阶段[1]。但是经验公式并不能反映层冰的破坏过程，所以有必要研究层冰的破坏过程：岳前进（2003）[2]等人通过试验结果观察得到冰与锥体作用破坏过程，建立确定性的冰力函数，该研究反映了国内初步对层冰破坏机理的探索，函数中部分参数需要通过实验获得；何菲菲（2010）[3]结合弹性力学理论和最小势能原理，提出了破冰船破冰载荷的理论计算公式，该方法只考虑了层冰的弯曲破坏。

国外对船舶在层冰中冰力预报的研究起步比国内早得多，用数值方法进行冰力预报都是基于不同的层冰破坏模型的，Lau.el（2006）[4]基于DECICE计算船舶在冰中的运动，将层冰近似成三维弯曲板元件研究层冰的破坏，Biao Su （2011）[5]运用压毁和弯曲失效模型，模拟了船舶的连续破冰，得到船舶局部冰载荷分布情况。这些方法中建立层冰破坏模型都要考虑破冰过程的理想化假设、层冰破坏的失效形式、冰力的成分分析、船体与冰接触边缘的几何条件等。

1 层冰破坏模型

冰力预报时数值方法不仅可以计算冰阻力还可以描述破冰过程，这就需要对层冰的破冰过程进行研究讨论，建立合适的层冰破坏模型。

1.1 连续破冰过程的理想化假设

冰力是一个随机力，船舶运动也决定了冰力的大小，冰载荷的变化外因是冰况的变化，内因是接触形式和破冰形式的变化，船冰相互作用的研究对建立可靠的数值方法预报冰载荷起着关键作用。在层冰中操纵船舶时，主要由船艏部分冲破冰层，回转操作时，冰的边缘与船肩、船侧频繁接触，相对于弯曲来说，冰的压毁也是不可忽略的冰力重要组成部分，所以船舶回转运动时受到的破冰力远比直航运动时多。

船舶穿过层冰的过程可以概括为船体破冰—推动冰这个过程：船与第一块冰接触即开始发生压毁现象（如图1），压毁力随着面积的增加而增大，直到垂向分力足够大使得冰发生弯曲破坏，发生弯曲失效的冰片会沿着船侧向下滑动（如图2），断裂的冰片在船周围产生了升力，这些升力是由于水与冰的密度差引起的。浮冰从冰片上掉落后，船的前进迫使它们在冰的边缘旋转，直到与船平行，而后浮冰开始下沉，沿船体滑行到无法与船持续接触。在一些船体的部位，尤其是首部和两侧倾斜角很大（接近垂直），压毁可能是唯一的破坏模式。

图1 船冰接触过程 图 2 冰的断裂翻转

船冰的相互作用表现为重复的接触-断裂-翻转的过程和破冰开始后一直伴随着的冰在船体周围的滑动和下沉，所以船舶受到冰的作用力随着时间的变化理想化曲线如图3所示。随着船艏与船肩不断爬上冰面，冰阻力从零开始增加到冰能承受的最大破坏力时层冰破裂，随着冰的破裂，冰阻力从峰值衰减为零，随后船在与冰没有接触的情况下航行很短暂的一段时间直到下一次与冰接触，这一过程反映了冰力变化的一个周期。

图3 理想化的各个冰力成分随时间的变化曲线

1.2 层冰中船舶连续破冰过程的冰力成分

冰力预报时需要考虑组成冰力的成分有哪些。海冰与倾斜结构物相互作用时大多发生弯曲破坏，当船舶艏部的倾斜度越大时船舶更容易冲上海冰，此时层冰与船体相互作用时主要发生弯曲破坏。如果对极地航行船舶破冰过程进行简化，船舶首部虽然具有一定倾斜度，但是首柱倾角较大，不仅要考虑海冰发生弯曲破坏产生的破冰力、破坏的碎冰脱离冰排变成浮冰块，浮冰块沿着船舶下沉产生的下沉力，还要考虑破冰过程中伴随着压毁失效产生的破冰力。其中海冰的挤压-断裂过程和冰块的滑动发生在水线处；海冰的翻转与下沉过程发生在水线下。冰块的滑动与船冰之间的摩擦因素有关，属于滑动摩擦力，计算冰块的翻转力即求取冰块的附加质量，这两部分力占比例小可忽略不计。所以建立冰力计算数学模型时，船冰相互作用中冰力可近似由破冰力和下沉力组成，其中破冰力分为弯曲失效引起的弯曲力和压毁失效引起的压毁力

1.3 船舶几何形状简化

船冰接触时的冰载荷由船体与冰的接触边缘间的几何条件决定，直线航行时主要是船舶首部与层冰接触，与层冰破坏密切相关的船舶几何参数有首柱倾角，入水角，船舶回转过程中船冰接触部分集中于水线处，层冰的破坏还与平行中体长度有关，所以在层冰破坏模型中需要这些参数进行简化，经验公式中简化时首柱倾角，入水角取平均值[6]。

2 小结

本文讨论了冰力预报时层冰的破坏模型，基于对破冰过程的理想化假设，分析了连续破冰过程的冰力成分和层冰破坏形式等。本文的分析基于一定的简化与假设，为了更能反映船舶实际在冰中航行的复杂过程，还需要进一步研究更接近实际破冰过程的冰与结构作用的破坏机理以提高冰力预报精度。

【参考文献】

[1]刘禹.内河破冰船艏部型式研究[D].哈尔滨工程大学，2010.

[2]岳前进，毕祥军，于晓，等.锥体结构的冰激振动与冰力函数[J].土木工程学报， 2003，（2）.

[3]何菲菲.破冰船破冰载荷与破冰能力计算方法研究[D].哈尔滨工程大学， 2011.

[4]Lau M. Discrete element modeling of ship manoeuvring in ice[J].2006.

[5]Su B. Numerical Predictions of Global and Local Ice Loads on Ships[J]. Department of Marine Technology， 2011.

[6]Lindqvist， G.， 1989. A straightforward method for calculation of ice resistance ofships[C].Proceedings of POAC 1989：722-735.

[责任编辑：张涛]