船体与浮冰碰撞的冰载荷研究
摘要
随着极地航行与资源开发的需求逐渐增加，破冰船在极地的航行安全问题越来越受
到关注。极地冰缘区是极地船舶从开放水域进入极地中央冰区的必经之路，冰缘区浮冰
主要是由一些独立的单块浮冰和密集度不断增大的浮冰区组成的，研究破冰船在冰缘区
航行时冰载荷分布的情况，可以对船舶航行安全以及未来极地破冰船的结构设计提供帮
助。目前在船冰碰撞研究方面，对于船体与层冰、冰山碰撞方面研究较多，与浮冰碰撞
方面研究较少，在船体与浮冰碰撞方面，船体在浮冰区航行的阻力、结构损伤方面研究
较多，并且多为碎冰或者规则形状规则排列的浮冰域，在船体与大块浮冰和随机冰域碰
撞所受冰载荷研究较少。基于上述原因，本文开展了浮冰与船体碰撞方面的研究，通过
船体与大块浮冰和随机浮冰场的碰撞，总结浮冰运动破损规律以及船体所受冰载荷的时
空演化规律，主要研究内容如下：
首先研究了船冰碰撞的分析方法，针对本文选用的有限元法和计算软件，总结基本
理论和算法。通过单轴压缩和三点弯曲模拟，确定试验海冰材料参数，利用ALE流固
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耦合方法，建立船体浮冰海水的耦合碰撞模型，通过试验验证碰撞模型。继续使用该
碰撞模型进行实船与真实浮冰的碰撞，根据真实海冰的力学特性，重新校核材料参数，
分析浮冰尺寸、形状、船舶航速对于船冰碰撞冰载荷的影响。
进行随机浮冰域自动生成算法的研究，通过编写两个算法分别得到固定形状浮冰组
成的浮冰域和随机形状浮冰组成的浮冰域，将船体与两种算法生成的浮冰域进行碰撞，
分析冰体运动情况和冰载荷的时空分布规律。对船体与浮冰场碰撞参数进行敏感性分
析，研究浮冰密集度、冰厚、浮冰尺寸、船速对于冰体运动情况及冰载荷分布情况的影
响规律。通过分步计算的方法，实现船体与浮冰场的长时域碰撞，模拟船舶在浮冰区中
长时间航行情况。最后将数值模拟结果与规范值对比，验证结果的合理性。
综上所述，本文建立了船体与浮冰碰撞的流固耦合模型，编写了两套浮冰域自动生
成算法，该算法可以为今后船体与浮冰域碰撞试验提供数值模拟基础。对船体与浮冰域
碰撞参数进行敏感性分析，提出了船体与浮冰域长时历碰撞方法，该方法可以对今后破
冰船在极地冰缘区航行的船体结构疲劳研究提供帮助。
关键词：船冰碰撞；大块浮冰；随机冰场；流固耦合
船体与浮冰碰撞的冰载荷研究
Abstract
Withtheincreasingdemandforpolarshippingandresourcedevelopment,thesafetyof
icebreakersinpolarshippinghasbeenattractingmoreandmoreattention.Thepolar
periglacialregionistheonlywayforpolarvesselstoenterthecentralpolariceregionfrom
theopensea.Theperiglacialfloatingiceismainlycomposedofsomeindependentfloating
iceandtheincreasinglydensefloatingiceregion.Studyingtheiceloaddistributionof
icebreakerssailingintheperiglacialregioncanhelpimproveshipsafetyandthestructural
designofpolaricebreakersinthefuture.Intermsofship-icecollisionresearch,thereis
currentlymoreresearchonhullcollisionswithlayericeandicebergs,butlessresearcho