汪玉蘭++何鳴++張強

【摘 要】隨著極地戰(zhàn)略的提出，對極地船舶的相關研究受到越來越多的重視。在對極地航行船舶進行冰力預報前，需要研究層冰的破環(huán)機理，建立合適的層冰破環(huán)模型。所有數學模型方法和仿真方法都是建立在一定假設之上的，根據已有的研究基礎，本文對極地航行船舶與層冰的相互作用進行理論分析，基于船舶破冰過程中的各種理想化假設，對船舶的破冰過程進行簡化，使其在工程計算中具有可行性。

【關鍵詞】層冰；冰力；層冰破壞模型

0 前言

目前對層冰破壞機理的研究是一個較前沿的課題，冰力預報方法多是基于試驗的回歸公式，國內現在尚處于研究的起步階段[1]。但是經驗公式并不能反映層冰的破壞過程，所以有必要研究層冰的破壞過程：岳前進（2003）[2]等人通過試驗結果觀察得到冰與錐體作用破壞過程，建立確定性的冰力函數，該研究反映了國內初步對層冰破壞機理的探索，函數中部分參數需要通過實驗獲得；何菲菲（2010）[3]結合彈性力學理論和最小勢能原理，提出了破冰船破冰載荷的理論計算公式，該方法只考慮了層冰的彎曲破壞。

國外對船舶在層冰中冰力預報的研究起步比國內早得多，用數值方法進行冰力預報都是基于不同的層冰破壞模型的，Lau.el（2006）[4]基于DECICE計算船舶在冰中的運動，將層冰近似成三維彎曲板元件研究層冰的破壞，Biao Su （2011）[5]運用壓毀和彎曲失效模型，模擬了船舶的連續(xù)破冰，得到船舶局部冰載荷分布情況。這些方法中建立層冰破壞模型都要考慮破冰過程的理想化假設、層冰破壞的失效形式、冰力的成分分析、船體與冰接觸邊緣的幾何條件等。

1 層冰破壞模型

冰力預報時數值方法不僅可以計算冰阻力還可以描述破冰過程，這就需要對層冰的破冰過程進行研究討論，建立合適的層冰破壞模型。

1.1 連續(xù)破冰過程的理想化假設

冰力是一個隨機力，船舶運動也決定了冰力的大小，冰載荷的變化外因是冰況的變化，內因是接觸形式和破冰形式的變化，船冰相互作用的研究對建立可靠的數值方法預報冰載荷起著關鍵作用。在層冰中操縱船舶時，主要由船艏部分沖破冰層，回轉操作時，冰的邊緣與船肩、船側頻繁接觸，相對于彎曲來說，冰的壓毀也是不可忽略的冰力重要組成部分，所以船舶回轉運動時受到的破冰力遠比直航運動時多。

船舶穿過層冰的過程可以概括為船體破冰—推動冰這個過程：船與第一塊冰接觸即開始發(fā)生壓毀現象（如圖1），壓毀力隨著面積的增加而增大，直到垂向分力足夠大使得冰發(fā)生彎曲破壞，發(fā)生彎曲失效的冰片會沿著船側向下滑動（如圖2），斷裂的冰片在船周圍產生了升力，這些升力是由于水與冰的密度差引起的。浮冰從冰片上掉落后，船的前進迫使它們在冰的邊緣旋轉，直到與船平行，而后浮冰開始下沉，沿船體滑行到無法與船持續(xù)接觸。在一些船體的部位，尤其是首部和兩側傾斜角很大（接近垂直），壓毀可能是唯一的破壞模式。

圖1 船冰接觸過程 圖 2 冰的斷裂翻轉

船冰的相互作用表現為重復的接觸-斷裂-翻轉的過程和破冰開始后一直伴隨著的冰在船體周圍的滑動和下沉，所以船舶受到冰的作用力隨著時間的變化理想化曲線如圖3所示。隨著船艏與船肩不斷爬上冰面，冰阻力從零開始增加到冰能承受的最大破壞力時層冰破裂，隨著冰的破裂，冰阻力從峰值衰減為零，隨后船在與冰沒有接觸的情況下航行很短暫的一段時間直到下一次與冰接觸，這一過程反映了冰力變化的一個周期。

圖3 理想化的各個冰力成分隨時間的變化曲線

1.2 層冰中船舶連續(xù)破冰過程的冰力成分

冰力預報時需要考慮組成冰力的成分有哪些。海冰與傾斜結構物相互作用時大多發(fā)生彎曲破壞，當船舶艏部的傾斜度越大時船舶更容易沖上海冰，此時層冰與船體相互作用時主要發(fā)生彎曲破壞。如果對極地航行船舶破冰過程進行簡化，船舶首部雖然具有一定傾斜度，但是首柱傾角較大，不僅要考慮海冰發(fā)生彎曲破壞產生的破冰力、破壞的碎冰脫離冰排變成浮冰塊，浮冰塊沿著船舶下沉產生的下沉力，還要考慮破冰過程中伴隨著壓毀失效產生的破冰力。其中海冰的擠壓-斷裂過程和冰塊的滑動發(fā)生在水線處；海冰的翻轉與下沉過程發(fā)生在水線下。冰塊的滑動與船冰之間的摩擦因素有關，屬于滑動摩擦力，計算冰塊的翻轉力即求取冰塊的附加質量，這兩部分力占比例小可忽略不計。所以建立冰力計算數學模型時，船冰相互作用中冰力可近似由破冰力和下沉力組成，其中破冰力分為彎曲失效引起的彎曲力和壓毀失效引起的壓毀力

1.3 船舶幾何形狀簡化

船冰接觸時的冰載荷由船體與冰的接觸邊緣間的幾何條件決定，直線航行時主要是船舶首部與層冰接觸，與層冰破壞密切相關的船舶幾何參數有首柱傾角，入水角，船舶回轉過程中船冰接觸部分集中于水線處，層冰的破壞還與平行中體長度有關，所以在層冰破壞模型中需要這些參數進行簡化，經驗公式中簡化時首柱傾角，入水角取平均值[6]。

2 小結

本文討論了冰力預報時層冰的破壞模型，基于對破冰過程的理想化假設，分析了連續(xù)破冰過程的冰力成分和層冰破壞形式等。本文的分析基于一定的簡化與假設，為了更能反映船舶實際在冰中航行的復雜過程，還需要進一步研究更接近實際破冰過程的冰與結構作用的破壞機理以提高冰力預報精度。

【參考文獻】

[1]劉禹.內河破冰船艏部型式研究[D].哈爾濱工程大學，2010.

[2]岳前進，畢祥軍，于曉，等.錐體結構的冰激振動與冰力函數[J].土木工程學報， 2003，（2）.

[3]何菲菲.破冰船破冰載荷與破冰能力計算方法研究[D].哈爾濱工程大學， 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.

[責任編輯：張濤]