船舶破冰复杂多模态振动响应研究
摘要
随着全球气温的持续升高，两极地区海冰范围和冰体厚度也会随之减小，开通北极
航道也存在可能，这将大幅度缩短亚欧国家的运输道路，降低运输成本，所以破冰船作
为两极资源探索和运输的重要交通工具，其研制与建造成为全球大国关注的热点话题。
破冰船在航行过程中，将不可避免的遇到平整冰冰况，在进行破冰作业时，破冰船会受
到冰层碰撞产生的随机破冰载荷的影响，容易产生较为强烈的振动情况，影响工作人员
的工作效率，同时也有可能对船上配备的精密设备产生不良影响或者导致仪器损坏的风
险，所以，开展破冰船破冰复杂多模态振动响应研究具有重要意义。本文将以探究破冰
船冰致复杂多模态振动响应以及不同参数下振动响应规律研究为目标，通过理论分析，
数值仿真开展相关研究工作。
本文首先重点揭示了研究发展破冰船的重要意义，总结整理了国内外破冰船发展现
状，国内外学者在冰体特性，破冰载荷以及船冰碰撞方面的研究现状，确定了本文关于
破冰船破冰载荷计算方法，破冰船典型甲板区域振动响应以及不同参数下振动响应规律
研究的探究方向。
介绍了冰体物理和力学特性，为破冰船破冰有限元模型提供冰体材料参数输入；基
于LS-Dyna有限元软件，建立钢板挤压球头冰数值模型，将压力面积曲线结果与ISO规
范标准和实验数据对比，验证弹性断裂失效模型模拟冰材料的有效性，为下文破冰船破
冰载荷模拟计算奠定基础。
建立破冰船破冰有限元模型，开展船舶破冰载荷特性研究，利用LS-Dyna流固耦合
ALE()
算法，探究破冰船连续式破冰连续平整冰排时破冰载荷的特性规律。阐述船舶破
冰过程中的冰层破坏模式，研究船舶航速和平整冰厚度两种敏感参数影响下的破冰载荷
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变化趋势，并将破冰载荷的数值模拟结果与Jeong公式经验值进行对比分析，结果表
明误差均在10%范围内，破冰载荷数值仿真结果合理；对破冰载荷进行频域分析，分析
航速与冰厚对于频谱曲线的影响，为后续开展船舶破冰复杂多模态振动响应研究提供载
荷输入。
建立破冰船流固耦合有限元模型，进行破冰船自由振动特性分析，探究破冰船总体
模态和典型甲板区域局部模态特性，由于板，纵横肋骨，横纵舱壁等多种构件刚度存在
差别，存在不同局部模态相互影响，导致破冰船总体模态改变，呈现复杂的多模态现象；
以第三章得出的破冰载荷作为激励力，以破冰船航速和平整冰排厚度作为影响参数，探
哈尔滨工程大学硕士学位论文
究破冰载荷激励下破冰船典型甲板区域的振动响应特性规律，结果表明随着破冰船航速
的增大和平整冰排厚度的提高，典型甲板区域选定的考核点振动加速度均有增大趋势，
为后文破冰船典型甲板区域的不同结构参数下振动响应规律研究作支撑。
最后，通过改变板厚和肋骨尺寸，开展破冰船典型甲板区域的不同结构参数下振动
响应规律研究。以板厚和加强筋截面形式作为控制参数，分别对破冰船典型甲板区域进
行振动响应规律研究，从而为破冰船典型甲板区域振动控制提供参考建议。
关键词：破冰船；破冰载荷；多模态振动；振动控制
船舶破冰复杂多模态振动响应研究
Abstract
Withthecontinuousriseofglobaltemperature,theextentofseaiceandthethicknessof
icebodyinthepolarregionswillalsodecrease,anditisalsopossibletoopentheArctic
shippingroute,whichwillgreatlyshortenthetransportationroadofAsianandEuro