极地船舶与推进装置的冰载荷数值预报分析

摘要

近年来，随着国际社会对北极航道以及极地资源开采关注度逐渐提升，冰区船舶的研究受到更多的重视并取得了相当的发展。冰区船舶航行的多工况性使其工作环境较常规船舶有很大不同，特别是在破冰航行状态，破冰船会受到较大的破冰阻力，对船体的航行性能产生较大的影响。随后部分碎冰会沿船体表面下浸至船底，并滑入螺旋桨前流场中，与船艉部的螺旋桨发生铣削碰撞，在螺旋桨表明产生冰载荷，影响桨的水动力性能等。然后，桨叶所受到的冰载荷通过推进轴系传递至推进系统的其他构件，对整个轴系产生较大的破坏影响。
　　为了探讨冰区航行船舶在连续式破冰和冲撞式破冰下船舶受到的破冰阻力与流体阻力受航速、冰厚的影响规律。首先运用显示动力软件LS-DYNA，选用某极地科考船，建立船-冰-流耦合模型，分析破冰船不同航速下、不同冰厚下船体受到的冰阻力、水阻力和冰排的变形损伤。在破冰航行过程中，冰排有明显的断裂损伤，并在船体表明和船后都有大量碎冰堆积。计算发现破冰船的冰阻力随着航速增大而增大，随冰厚的增大而增加;对于流体阻力，其数值大小随冰厚的变化对流体阻力的大小影响不大，但其随航速增大而增大。
　　进一步分析部分碎冰滑入船底与螺旋桨的铣削碰撞，采用SPH粒子模拟海冰，进行冰-桨-流一体的数值计算。在计算前首先介绍了海冰在拉伸破坏和压缩破坏下的力学性能，分析其在单轴加载、双轴加载、三轴加载形式下的海冰裂纹萌生扩展形式。并根据国外的高速球型冰冲击钢板实验对本章的数值仿真方法进行验证，计算结果满意，和实验结果较为贴合。随后选用Rclass冰级桨模型，建立其三维模型，分析了冰桨铣削过程中海冰的破坏模式和螺旋桨表面受到的应力集中现象。在此基础上改变三种铣削深度，分别计算了9个进速系数冰桨铣削过程。绘制冰桨接触力系数和冰载荷扭矩系数与进速系数的关系曲线，并将曲线趋势与文献计算的大侧斜桨进行对比分析。结果表明冰载荷的大小随铣削深度增大而增大;当进速系数较低时，冰载荷的大小与进速系数呈现正相关，随后当遮蔽系数为零的时候，冰载荷大小随着进速系数的增大而减小。
　　为了分析桨叶受到的冰载荷进一步对整个推进轴系的影响。采用显隐式结合的动力方法，对某冰区轴系系统进行了静动态分析。文章中首先对该推进轴系进行简单的校中计算，计算得到在自重下各个轴承的支反力、剪力、弯矩、挠度等结果，随后进一步分析后托架轴承的刚度与支撑点的改变对轴系负载均匀性的影响，为轴系的合理设计提供支持。在此基础上，用显示动力法进行变参数的冰桨碰撞数值计算，变参数主要包括海冰径向位置的改变、海冰大小的改变和海冰速度的改变，随后提取冰桨接触总载荷的轴向力Fx，垂向力Fz，轴向弯矩Mx，水平弯矩My四个分量。再在Abquas软件里将这四个冰载荷输入到推进轴系的一端，分析推进轴系的冲击响应。计算结果表明，冰载荷的产生会对靠近螺旋桨一端的后托架轴承产生较大的支反力、位移响应、扭矩响应和应力变化。轴系的位移、等效应力、扭矩会随着海冰径向距离的减小而增大，随着海冰尺寸的增大而增大，海冰速度越快其受到的破坏越大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 破冰船研究现状

1．2．2 冰桨接触载荷研究现状

1．2．3 冰区推进轴系研究现状

1．3 论文主要研究内容

第2章 破冰船破冰过程数值计算

2．1 引言

2．2 流固耦合算法

2．3 计算前处理

2．3．1 计算域建立及船体网格划分

2．3．2 计算参数设置

2．4 计算后处理与分析

2．4．1 连续式破冰过程及结果分析

2．4．2 多工况下结果分析

2．4．3 冲撞式破冰过程及结果分析

2．5 本章小结

第3章 基于SPH法冰桨铣削下冰载荷计算分析

3．1 引言

3．2 SPH法理论基础

3．3 冰冲击特性研究

3．3．1 冰的力学性能

3．3．2 冰的冲击特点

3．3．3 冰冲击数值模型

3．4 计算前处理

3．4．1 螺旋桨模型建立

3．4．2 螺旋桨网格划分及SPH粒子生成

3．4．3 螺旋桨受力分析及计算参数设置

3．5 计算结果分析

3．6 本章小结

第4章 船舶推进轴系的校中分析

4．1 引言

4．2 推进轴系的有限元方法

4．2．1 轴系简化处理

4．2．2 轴系计算有限元法

4．3 推进轴系合理较中计算

4．3．1 计算模型建立

4．3．2 轴系的较中计算

4．4 后托架轴承刚度影响下推进轴系的校中分析

4．5 后托架轴承支撑点变化下推进轴系的校中分析

4．6 本章小结

第5章 冰载荷作用下轴系动态响应

5．1 引言

5．2 推进轴系冲击计算方法

5．3 冰桨碰撞过程的冰载荷计算

5．3．1 计算前处理

5．3．2 冰桨碰撞下的冰载荷分析

5．4 冰载荷作用下轴系动态响应

5．5 海冰不同径向位置轴系动力响应分析

5．6 海冰不同尺寸轴系动力响应分析

5．7 海冰不同速度下的结果分析

5．8 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢