重叠冰与高密集度碎冰的船冰碰撞冰载荷预报研究
摘要
冰载荷直接影响到极地船舶航行的安全，同时极地海冰的种类繁多，而关于船舶
航行于重叠冰、高密集度的碎冰这类特殊冰工况下的冰载荷研究甚少。本文针对船与
重叠冰、高密集度碎冰碰撞的冰载荷预报问题开展了研究，进行了以下工作。
（1）详细阐述了船冰碰撞的基本原理，分析了船与重叠冰和高密集度碎冰碰撞过
程中的破冰形式，讨论了船冰碰撞过程中产生冰载荷的原理。介绍了SPH-FEM耦合原
理，包括SPH方法和SPH-FEM耦合求解计算原理。基于上述基本原理内容，建立了圆
台冰撞击刚性墙和船与层冰碰撞试验工况等展示了SPH-FEM耦合的用途，并验证了上
述耦合方法求解本文船冰相关研究内容的合理准确。
（2）基于SPH-FEM耦合模型，验证了各向同性弹塑性材料用于重叠冰和高密集
度碎冰数值仿真的可行性和准确性，提出了应用动力学分析软件LS-DYNA进行的船冰
碰撞耦合数值仿真。以重叠冰为研究对象，将数值仿真计算结果和模型试验结果进行
比较分析，验证通过数值仿真来进行船冰碰撞冰载荷预报的可行性。
（3）基于船冰碰撞耦合数值仿真，开展不同航速和重叠冰厚度工况下的实船尺度
船冰碰撞计算，探究船与重叠冰碰撞的冰载荷的影响因素，得到设定工况下的冰阻力
均值、冰压力峰值和均值，分析并得到了船与重叠冰碰撞下的冰载荷规律。
（4）基于船冰碰撞耦合数值仿真，开展实船尺度下的高密集度碎冰工况船冰碰撞
计算，讨论航速、碎冰厚度和碎冰尺寸等因素对船与高密集度碎冰碰撞的冰载荷影响，
得到设定工况下的冰阻力均值、冰压力峰值和均值，分析并得到了船与高密集度碎冰
碰撞下的冰载荷规律。
关键词：重叠冰；高密集度碎冰；冰载荷预报；船冰碰撞
重叠冰与高密集度碎冰的船冰碰撞冰载荷预报研究
Abstract
Theiceloaddirectlyaffectsthesafetyofpolarshipnavigation,andtherearemanytypes
ofpolarseaice.However,thereislittleresearchontheiceloadofshipssailingunderspecial
iceconditionssuchasoverlappingiceandhighconcentrationcrushedice.Thisarticleconducts
researchontheiceloadpredictionproblemofshipcollisionwithoverlappingiceandhigh
concentrationcrushedice,andthefollowingworkiscarriedout.
(1)Thebasicprincipleofshipicecollisionwaselaborated,andtheicebreakingforms
duringshipicecollisionwithoverlappingiceandhighconcentrationcrushedicewereanalyzed.
Theprincipleoficeloadgeneratedduringshipicecollisionwasdiscussed.Introducedthe
principleofSPH-FEMcoupling,includingtheSPHmethodandthecalculationprincipleof
SPH-FEMcouplingsolution.Basedontheabovebasicprinciples,theapplicationofSPH-FEM
couplingwasdemonstratedthroughtheestablishmentoftestconditionsforcirculariceimpact