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船舶在冰区航行中,冰荷载是船舶结构设计和安全航行的重要影响因素。采用具有黏结破碎特征的离散单元法对船舶在平整冰区的航行过程进行了数值分析。在船舶破冰过程的离散元模拟中,平整冰由球形颗粒黏结而成,同时考虑了海水浮力和拖曳力对海冰单元的作用,颗粒间的黏结作用可在海冰与船体的相互作用过程中发生破碎;船体由三角形单元构造,分析了在海水浮力、推进器推力及海冰共同作用下船体的六自由度运动特性。通过船体与海冰相互作用的离散元分析,确定了船舶在破冰过程中海冰作用在船体上的冰荷载,探讨了船舶推进器推力和海冰厚度对冰荷载的影响,并与Lindqvist船体冰阻力经验公式进行了对比。 相似文献
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锥角对锥体结构抗冰性能影响的离散元分析 总被引：1，自引：1，他引：0
在寒区海洋工程中,锥体海洋结构的尺寸参数对其破冰性能具有重要影响。采用具有黏结-破碎功能的离散元方法模拟海冰与锥体结构的相互作用过程中海冰的破坏模式及冰载荷分析。该离散元方法的计算参数通过与渤海油气平台的实测数据对比进行了可靠性验证。在此基础上,当设计海域的潮差固定时,对不同锥角下风电单桩锥体结构的冰载荷和海冰破坏模式进行了离散元分析。计算结果表明:锥体冰载荷随锥角的增大而增大,海冰的平均断裂长度则随锥角的增大而减小;当锥角小于70°时海冰的破碎模式主要为弯曲破坏,而当锥角大于70°时海冰破坏模式则主要为挤压破碎。以上研究结果可为冰区海上风电单桩结构的抗冰锥设计提供参考。 相似文献
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连续破冰模式下破冰船的冰力研究 总被引：4，自引：1，他引：3
由于破冰船航行区域及工作任务的特殊性,对于海冰与船体的相互作用越来越受到重视。在一定理想化假设的基础上对破冰船在直行情况下的连续破冰模式运用数值方法进行模拟,然后得到破冰船破冰过程中的冰力时历曲线,并分析了相关破冰参数对连续破冰作用下破冰形状及平均冰力的影响程度。模拟结果表明:冰厚、破冰速度与离散间隔都对破冰半径和冰力有一定的影响;而冰厚则是影响破冰形状及冰力最为关键的因素;得到的连续破冰形状基本符合实际,可以为后续研究破冰船在冰区航行时的运动及破冰能力提供基础。 相似文献
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基于非线性有限元分析方法和LS-DYNA计算软件,使用黏聚单元法建立层冰的数值模型,并进行了层冰与锥形立柱相互作用的数值模拟,研究抗冰锥角、冰厚等参数对立柱所受冰载荷的影响。模拟结果与实测和试验结果吻合良好。研究结果表明:使用黏聚单元法建立的层冰模型可以较好地模拟出层冰的破碎和堆积过程,冰载荷计算结果与ISO冰力标准结果以及离散单元法计算结果吻合较好;锥形立柱的抗冰锥角大小对冰载荷影响明显,随着锥角增大,水平方向的最大冰力增大而竖直方向上最大冰力减小;锥形结构改变了碰撞过程中层冰的破坏形式;结构物所受冰力大小与层冰厚度呈正相关,且增加速度接近线性。 相似文献
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锥体导管架海洋平台冰激振动的DEM-FEM耦合分析及高性能算法 总被引：1，自引：0，他引：1
在寒区海域,冰荷载是影响海洋平台安全运行的主要环境荷载之一,由其引起的冰激振动给平台结构及其上部设备带来了严重危害。为分析不同冰况下平台的振动响应,本文建立了导管架海洋平台冰激振动的离散元（DEM）-有限元（FEM）耦合模型。采用具有黏接-破碎性能的等粒径球体离散单元对海冰的破碎特性进行模拟,通过由梁单元构建的海洋平台有限元模型获得结构的振动响应。在离散元与有限元的接触区域中实现了两个模型间计算参数的传递。为提高该耦合模型的计算效率和规模,发展了基于动力子结构方法的DEM-FEM耦合模型。为验证该耦合模型的有效性和可行性,将不同冰况下得到的冰荷载与ISO19906和JTS 144-1-2010标准进行了对比。结果表明,计算得到的冰荷载与标准相近,且冰厚与冰荷载呈二次非线性关系。同时,从冰速和冰厚两方面对比了渤海四桩腿JZ20-2 MUQ锥体导管架平台冰激振动加速度的数值结果和现场实测数据,发现冰速与振动加速度呈线性关系,冰厚与振动加速度呈二次非线性关系,并且振动加速度与冰速和冰厚平方的乘积呈线性关系。 相似文献
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基于广义接触模型的离散元方法及其对船体冰载荷的分析 总被引：1，自引：1，他引：0
冰载荷是影响船舶结构安全的主要环境载荷,因而确定破冰船的冰载荷特征可用于船体结构设计及船舶安全预警分析。海冰作为典型的脆性材料,可采用单元间具有黏结失效效应的离散元方法模拟其破碎行为。为有效地模拟海冰破碎的渐进过程,采用由局部黏结点组成黏结单元的广义接触模型。为分析该模型中直接决定黏结单元失效的强度参数的影响,采用海冰单轴压缩和三点弯曲试验数值模拟进行分析。通过模型试验确定了失效模型中法向黏结强度、切向黏结强度和Mohr-Coulomb准则中的接触摩擦系数的影响。将该数值模型应用于极地科学考察船"雪龙号"的平整冰区冰载荷分析中,并与船舶整体冰阻力经验公式进行了对比验证。 相似文献
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冰脊对极地船舶及海洋工程结构的冰载荷设计及冰区安全运行具有重要的影响,其几何形态是重要的考虑因素。为研究冰脊的几何形态,本文基于Voronoi切割算法构造扩展多面体海冰单元,并使其相互冻结形成平整冰;采用离散单元法模拟海冰在相对运动时挤压形成冰脊的动力过程,统计分析脊帆高度、龙骨宽度、龙骨深度、龙骨水平倾角等主要几何参数,并确定这些几何参数间的对应关系。将离散元模拟结果同冰脊现场观测资料对比分析以验证扩展多面体离散元方法模拟冰脊形成过程的可行性。在此基础上讨论冰厚、冰速、海冰强度等因素对冰脊形态的影响。本文采用离散元方法对冰脊形成过程及几何特性的数值分析可为深入开展冰脊的形成机理及其对船舶、海洋工程结构物的冰载荷分析提供参考依据。 相似文献
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由于重叠冰厚度较大,给冰区海洋运输以及海洋生产作业等带来较大影响,为了得到科学客观的重叠冰厚度,需要对重叠冰的形成条件进行深入研究。利用理论分析和数值模拟方法,分析了波浪、风和流对渤海海冰重叠的影响。通过理论计算分析发现,波浪是导致海冰断裂的主要因素;采用离散元方法对海冰重叠过程进行了数值模拟,模拟结果表明海冰在外界动力作用下,海冰初始发生屈曲变形断裂,随后产生重叠。综合分析表明,海冰在同时具备波浪的垂向波动作用以及风或流水平作用力下,冰层比较容易发生重叠,波浪对海冰重叠的作用不可忽略,海冰的重叠长度取决于风和流作用的大小,其作用力越大,重叠长度越大。 相似文献
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极地船舶在冰区航行中经常与各种类型的海冰发生不同程度的碰撞,充足的疲劳强度储备至关重要。本文提出了基于实测冰载荷的极地船舶结构冰激疲劳的累积损伤分析方法。以“雪龙”号极地考察船为研究对象,通过对我国第8次北极科学考察中的冰厚和航速等现场测量数据进行统计分析,在冰厚0.5～2.5 m、航速2～12 kn范围内构造冰激疲劳工况,并将二者的联合概率分布作为疲劳工况的发生概率;基于支持向量机方法反演识别出典型工况下的冰载荷时程,通过动力学分析确定关键位置及相应的热点应力,并采用雨流计数法统计应力循环次数;最后通过S-N曲线和Miner线性累积损伤理论进一步计算该航次内的疲劳损伤度,验证了“雪龙”号在冰区航行的安全性。本文对极地船舶结构的抗冰设计和安全评估具有一定的参考意义。 相似文献
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Ice loads on a ship hull affect the safety of the hull structure and the ship maneuvering performance in ice-covered regions. A discrete element method （DEM） is used to simulate the interaction between drifting ice floes and a moving ship. The pancake ice floes are modelled with three-dimensional （3-D） dilated disk elements considering the buoyancy, drag force and additional mass induced by the current. The ship hull is modelled with 3D disks with overlaps. Ice loads on the ship hull are determined through the contact detection between ice floe element and ship hull element and the contact force calculation. The influences of different ice conditions （current velocities and directions, ice thicknesses, concentrations and ice floe sizes） and ship speeds are also examined on the dynamic ice force. The simulated results are compared qualitatively well with the existing field data and other numerical results. This work can be helpful in the shil3 structure design and the navigation securitv in ice-covered fields. 相似文献
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当船舶在冰区航行时,螺旋桨会与海冰相互碰撞并导致桨叶的变形和损坏,进而影响船舶的航行安全。为研究海冰与螺旋桨的相互作用过程,采用离散元(DEM)—有限元(FEM)耦合方法构建海冰—螺旋桨切削模型。海冰和螺旋桨模型分别采用具有黏结—破碎特性的球体离散单元和8节点六面体有限单元构造。基于该DEM-FEM耦合模型讨论了不同切削深度下,螺旋桨所承受冰载荷的特点和规律;最后,研究了螺旋桨切削海冰过程中进速系数、推力系数、扭矩系数之间的对应关系,并讨论了海冰—螺旋桨相互作用过程中冰压力、Mises应力和变形的分布特点。以上研究可为寒区船舶安全航行和螺旋桨设计提供有益的参考。 相似文献
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GPU-Based DEM Simulations of Global Ice Resistance on Ship Hull During Navigation in Level Ice 总被引：1，自引：0，他引：1
The ice resistance on a ship hull affects the safety of the hull structure and the ship maneuvering performance in icecovered regions.In this paper,the discrete element method(DEM)is adopted to simulate the interaction between level ice and ship hull.The level ice is modeled with 3D bonded spherical elements considering the buoyancy and drag force of the water.The parallel bonding approach and the de-bonding criterion are adopted to model the freezing and breakage of level ice.The ship hull is constructed with rigid triangle elements.To improve computational efficiency,the GPU-based parallel computational algorithm was developed for the DEM simulations.During the interaction between the ship hull and level ice,the ice cover is broken into small blocks when the interparticle stress approaches the bonding strength.The global ice resistance on the hull is calculated through the contacts between ice elements and hull elements during the navigation process.The influences of the ice thickness and navigation speed on the dynamic ice force are analyzed considering the breakage mechanism of ice cover.The Lindqvist and Riska formulas for the determination of ice resistance on ship hull are employed to validate the DEM simulation.The comparison of results of DEM,Lindqvist,and Riska formula show that the DEM result is between those the Lindqvist formula and Riska formula.Therefore the proposed DEM is an effective approach to determine the ice resistance on the ship hull.This work can be aided in the hull structure design and the navigation operation in ice-covered fields. 相似文献
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Considering the discontinuous characteristics of sea ice on various scales,a modified discrete element model（DEM） for sea ice dynamics is developed based on the granular material rheology.In this modified DEM,a soft sea ice particle element is introduced as a self-adjustive particle size function.Each ice particle can be treated as an assembly of ice floes,with its concentration and thickness changing to variable sizes under the conservation of mass.In this model,the contact forces among ice particles are calculated using a viscous-elastic-plastic model,while the maximum shear forces are described with the Mohr-Coulomb friction law.With this modified DEM,the ice flow dynamics is simulated under the drags of wind and current in a channel of various widths.The thicknesses,concentrations and velocities of ice particles are obtained,and then reasonable dynamic process is analyzed.The sea ice dynamic process is also simulated in a vortex wind field.Taking the influence of thermodynamics into account,this modified DEM will be improved in the future work. 相似文献
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海冰在结构前的破坏模式以及产生的冰载荷与结构尺度和海冰厚度密切相关。采用海冰离散元方法（DEM）模拟平整冰与直立结构相互作用过程中的海冰破坏模式及整体冰载荷。该离散元方法的计算参数通过与Norstr?msgrund灯塔的现场实测数据对比进行了可靠性验证。在此基础上,对不同宽厚比（结构宽度与海冰厚度的比值）工况下平整冰与直立结构作用过程中的海冰破坏模式和整体冰压力进行了离散元分析。模拟结果表明：当宽厚比＜10时,海冰破坏模式主要为挤压破坏;当10≤宽厚比＜30时,海冰混合破坏发生;当宽厚比≥30时,海冰屈曲破坏发生。从海冰断裂长度与平均冰压力两个方面进一步说明了海冰破坏模式的转变过程。最后,构建了直立结构极值冰压力计算公式。研究成果可为寒区直立结构的整体设计提供参考。 相似文献
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海冰动力过程的改进离散元模型及在渤海的应用 总被引：1，自引：0，他引：1
海冰的断裂、重叠和堆积等离散分布特性广泛地存在于极区和副极区的不同海域,并对海冰的生消、运移过程有着重要影响。针对海冰在不同尺度下的离散分布特点,发展海冰动力过程的离散元方法有助于完善海冰数值模式,提高海冰数值模拟的计算精度。为此,本文针对海冰生消运移过程中的非连续分布和形变特性,发展了适用于海冰动力过程的改进离散元模型(MDEM)。不同于传统离散元方法,该模型将海冰离散为具有一定厚度、尺寸和密集度的圆盘单元。海冰单元设为诸多浮冰块的集合体,其在运移和相互接触碰撞过程中,依照质量守恒发生单元尺寸、密集度和厚度的相应变化。基于海冰离散性和流变性的特点,该模型采用黏弹性接触本构模型计算单元间的作用力,并依据Mohr-Coulomb准则计算海冰法向作用下的塑性变形及切向摩擦力。为验证该模型的可靠性,本文对海冰在规则水域内的运移和堆积过程进行了分析,离散元计算结果与解析值相一致;此外,对旋转风场下海冰漂移规律的模拟进一步验证了本文方法的精确性。在此基础上,对渤海辽东湾的海冰动力过程进行了48h数值分析,计算结果与卫星遥感资料和油气作业区的海冰现场监测数据吻合良好。在下一步工作中将考虑海冰离散元模拟中的热力因素影响,发展具有冻结、断裂效应的海冰离散元模型,更精确地模拟海冰动力-热力耦合作用下的生消和运移过程。 相似文献
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为了研究南极冰藻的热胁迫应答机制，本文根据转录组测序得到的冰藻Chlamydomonas sp. ICE-L过氧化氢酶CiCAT基因分析了其编码蛋白的特征，同时研究了CiCAT基因表达和过氧化氢酶活性在培养温度升高时的响应变化情况。结果表明:CiCAT基因序列全长为2 066 bp，编码492个氨基酸。在过氧化氢酶的系统进化树中，南极冰藻与其他绿藻聚类为一个分支。CiCAT编码的蛋白序列与盐藻和红球藻的过氧化氢酶序列相似性较高，分别为80.5%和78.9%。当南极冰藻处于热胁迫条件下，CiCAT基因的相对表达量和过氧化氢酶活均呈现出先上升后下降的趋势，但在胁迫24 h时CiCAT基因的表达量变化不明显，而实验组的酶活显著高于对照组。在胁迫72 h时，基因表达量和酶活均达到最高值。研究初步表明，与在常温藻类和高等植物中的功能相似，在经受热胁迫的情况下，南极冰藻中的抗氧化酶系统也发挥着重要作用。 相似文献