冰和直立结构相互作用的静冰力可靠性分析

我国渤海每年约有3个月的结冰期,冰与海洋结构的相互作用远较波浪为甚,因此有必要进行冰与海洋结构相互作用的可靠性分析.首先,采用热力学的方法根据每年实测的环境参数对海冰平整冰厚进行数值模拟计算,然后根据计算结果对不同重现期的极值冰厚采用极值统计法给出了极值分布,并与其他文献作比较.其次,以应变速率为海冰强度的主要影响参数,给出了海冰强度的概率分布.最后,以Schwarz公式为静冰力计算公式,结合得到的冰厚和冰强度的概率分布,采用映射变换法进行不同重现期静冰力的可靠度分析计算,并用蒙特卡罗重点抽样法进行模拟.     

乌梁素海湖泊冰消融过程的现场观测

为了研究湖泊冰消融过程中的水文特征,以内蒙古乌梁素海湖泊为研究对象,对湖泊冰消融过程中气温、冰温、水温和冰厚度进行连续观测,以分析冰温和水温对气温变化的响应,并建立冰厚度与累积正积温间的关系。用冰钻钻取6根处于不同消融时期的冰芯样品,测定其表观密度,并从冰的晶体类型、表面特征、冰体透明度、气泡形态和气泡数量等方面分析冰柱的形态结构。结果表明:气温是影响冰温变化的主要因素,但冰温的变化过程滞后于气温的;冰下水的温度稳定在-0.20~-0.35℃,不受气温的影响。湖冰消融期冰的表观密度为611.5~920.3kg/m3,小于纯冰的密度,其随着冰层的消融而减小;且冰层上部密度小于中下部的,这主要冰融水沿孔隙下渗有关;随着湖冰的消融,冰的晶体类型、冰表面特征、冰体透明度、气泡形态和气泡数量等方面均有较大变化。     

极地吊舱推进船舶回转性能的离散元分析

吊舱推进装置在极地船舶中被广泛应用,其转舵模块可以带动螺旋桨摆动从而产生任意方向的推进力,使船舶操纵更为灵活。提出了一种吊舱推进船舶冰区操纵的离散元方法,对具有吊舱推进装置的冰区船舶破冰过程进行了数值模拟。以“雪龙2”号破冰船为研究对象,计算分析了船舶定速直航时的冰阻力,并通过与Lindqvist经验公式的对比验证了冰阻力计算的合理性。在此基础上进一步对船舶在不同冰厚、不同吊舱转向角下的回转破冰运动进行了离散元模拟,分析了回转半径与船长比值随冰厚的变化规律。计算结果表明：船舶的回转性能随冰厚的增大而降低,并随吊舱转向角的增大而显著提高。     

基于黏聚单元法的抗冰海洋平台与层冰相互作用数值模拟

通过商业有限元软件LS-DYNA采用黏聚单元法模拟层冰的断裂问题,在IIHR冰池模型试验相同缩尺比参数下对KULLUK抗冰平台受到的冰力进行数值计算,探究冰厚与冰速等冰况参数对平台冰力的影响。计算结果表明,在极地作业平台主要遭遇北极海域冰况范围下,相同冰厚情况时冰速变化对倒锥形结构平台的横向冰力影响不大,而同冰速时冰力随着冰厚的增加接近线性增加。同时将计算所得结果与同条件下IIHR冰池模型试验数据、ARCTEC、ACL非冻结模型冰试验数据、实船数据和通过ISO19906规范中提供的针对大锥面结构受到层冰冰力的经验公式计算所得数据等进行了对比,验证了选用冰参数的可靠性以及该数值模型在模拟大尺度宽锥形平台遭受层冰作用问题中的适用性。     

自升式钻井平台抗冰特性试验研究

自升式钻井平台在设计时通常不考虑冰荷载的作用,要实现冰区作业,首先需要对该类平台的抗冰能力进行准确评估。本文通过开展冰池试验,对自升式钻井平台冰载荷作用机理、结构冰激特性以及抗冰方法等进行研究。海洋结构受到的冰荷载大小以及结构响应值与冰厚密切相关,冰激振动机理与冰厚无关,探究不同冰速和冰厚下冰荷载及振动响应的时程曲线,可发现低冰速下结构展现出的准静态响应特征以及高冰速下的随机响应特征。冰激振动的发生是结构固有特性、冰速、冰厚、冰材料参数等因素共同影响的结果,其作用机理尤为复杂,本研究侧重于桁架式自升式平台冰区作业中结构冰激振动特性研究。     

海上风电单桩式支撑结构冰激振动及参数敏感性分析

针对渤海湾某风电场的海上固定式风机支撑结构,采用适用于大直径单桩结构的PSI曲线模拟桩土相互作用,并采用SACS软件建立支撑结构的动力分析模型。首先对支撑结构进行模态分析;其次考虑海冰结构的随机振动作用模式,根据适用于渤海湾的随机冰力谱构造随机冰载荷时程曲线,基于半耦合的时域方法,采用SACS软件对支撑结构进行冰激振动分析,输出塔筒顶部加速度、单桩基底剪力及倾覆力矩等响应参数的时程曲线和响应功率谱;最后针对冰厚、冰速和海冰强度等海冰参数对支撑结构的冰激振动进行敏感性分析。研究结果表明,在随机振动模式下,冰载荷及结构动力响应对冰厚和海冰强度较为敏感,在进行冰激振动分析时应合理确定冰厚和海冰强度等参数。     

海冰动力学过程的数值模拟

讨论了海冰动力学性质并阐述决定海冰漂移的动量平衡,冰脊和水道形成及确定冰应力与形变、强度之间关系的海冰流变学.提出了模拟海冰动力学过程的数值模式,模式中冰厚分布由开阔水、平整冰和堆积冰3种要素表示.在这3要素的预报方程中引入形变函数,采用一种参数化方法模拟冰脊和水道.为了表示冰内相互作用,将海冰作为一种非线性粘性可压缩物质,采用粘-塑性本构关系.本文还概述和讨论了模式中所采用的数值方法,应用此模式模拟了渤海、波罗的海的波的尼亚湾和拉布拉多海的冰漂移.渤海冰漂移模拟结果明显地显示出潮周期变化,还模拟了渤海的冰脊和水道,进行了海冰流变学参数的敏感性试验.并将此冰模式与大气模式和边界层模式联接,给出渤海海冰预报结果.     

海冰荷载设计标准的不确定性及联合概率分析

海冰荷载为寒冷海域海洋工程结构设计的控制条件.当前的工程设计中,大多以平整冰厚和海冰强度两项指标作为设计标准,但是影响平整冰厚和海冰强度的因素,诸如水温、气温、冰温、盐度、风场等,都具有很强的随机性.一般的数值模拟方法,只能给出平均状态的结果,无法表达各种随机因素影响下海冰的厚度和强度的概率特征.本文采用不确定性分析和联合概率分析的方法,研究了海冰厚度、强度设计标准的离散度(cov)以及联合概率分析法在海冰设计标准中的应用.     

极地船舶冰区航行中冰激结构疲劳的累积损伤分析

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。     

渤、黄海北部海冰年代时空变化特征分析

本文取上世纪后50年至2003年度冬季渤海地区气温作为与渤海冬季冰情有关的气候指标。分析得出,渤海地区冬季气温随着年代呈上升趋势,特别是80年代中期至本世纪初尤为明显。受其影响,渤海冬季的冰情时空分布状况发生了较大变化。其特点是:初冰日较多年平均值推后、终冰日较多年平均值提前,冰期较多年平均值偏短,冰厚较多年平均值偏薄,结冰范围(沿岸固定冰宽度和浮冰外缘线)较多年平均值偏小,甚至有些海区已多年未曾见到海冰了。     

碎冰条件下单点系泊船舶动态响应特性研究

为了研究不同单点系泊位置对极地系泊船舶在来冰角度改变时动态响应的影响,运用离散元方法(DEM),计算了船舶在60%密集度下,冰速为1.0 m/s、冰厚为1 m时不同角度的船冰阻力,结合系泊分析软件二次开发功能,计算分析系泊船舶在不同来冰角度和不同系泊位置下受上述冰情影响下的响应。通过对模拟结果与试验结果的对比,认为离散元方法(DEM)的数值模拟结果与试验结果吻合较好;单点系泊位置为距船头L/4时,系泊船舶能以最快速、最稳定的方式对来冰方向的变化做出响应。     

细粒酒精模型冰的弯曲强度试验研究

基于不同制冰条件和工的细粒酒精模型冰层原位悬臂弯曲强度试验,给出细料酒精模型冰弯曲强度;分析了考虑和不考虑不浮力效应对弯曲强度的差异;利用向睡向下弯曲强度结果给出该模型冰各向同性的证据;得到该冰弯曲强度与其密度、冰内未冻液含量和制冷过程可控制因子的关系,并作为定量控制模型冰质量的基础。     

渤海海冰特征厚度分析

通过海冰生消机理和数值试验,讨论了渤海海冰特征厚度的存在条件;对不同厚度的海冰表面温度、冰面热量收支、冰面下热传导和太阳辐射透射量进行了对比分析,分析了渤海海冰向特征冰厚的动态演化过程;在不同气温、风速、相对湿度和海洋热通量等气象和水文条件下,对渤海特征冰厚进行了计算;讨论了海冰生消的动态平衡过程,分析了1997/1998年冬季辽东湾JZ20-2海域实测冰厚与特征冰厚的相互关系。对渤海特征冰厚分析将有助于渤海海冰数值模拟工作的开展和对不同重现期设计冰厚的推算。     

预测细粒酒精模型冰物理和力学参数的实验关系

依据模型冰物理性质控制其力学性质的原则 ,利用能量平衡观点建立了冰内未冻结液体含量同制冰过程中的冰池温度、降温及升温时间、模型冰厚度 (喷雾时间×流量 )的理论关系 ,以其量纲表达式作为预测模型冰物理和力学参数的综合控制指标 ;通过系统测量酒精溶液冰点温度、冰池大厅气温、模型冰温度、冰内未冻液含量、冰密度、冰压缩强度、冰弯曲强度和冰变形模量 ,获得了不同冰点温度模型冰的物理和力学参数同该综合控制指标的实验关系 ;实现了用人为可控制因子定量控制模型冰物理和力学参数的目的     

冰脊形成过程的离散元模拟及影响因素分析

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。     

冰激振动及冰荷载动力特性的试验研究

回顾了解决海冰引起结构振动分析方法的要求，通过室内冰力模型试验得出了冰激振动的重要参数－冰力频率，幅值的特性。研究表明，在低冰速时，冰力频率与冰速对冰厚之比呈线性关系；高冰速时，冰力步与冰速对冰厚之比呈现恒定性，文章还根据试验数据以及统计分析，推荐了冰力幅值计算公式和取值范围。     

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

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。     

北极喀拉海工程海冰冰情特征统计分析

本文基于ICDC海冰密集度、冰厚及NSIDC冰速数据,分析了喀拉海工程海冰时空变化特征,并采用ECMWF大气强迫资料,进一步分析了影响喀拉海冰情的热力与动力因素。结果显示,喀拉海海冰冰情总体呈现由重变轻趋势;海冰时空变化显著,存在8个月的高密集度完全冰封期,冬季月份全海域冰厚高于60cm,夏季西南部冰厚低于20cm,冻结快,融化慢;油气代表点处冰厚频率分布呈双峰状,常冰向及强冰向以NW、NNW及SSE方向为主;冬季积温是决定融冻期海冰覆盖率特征和增长期冰厚指数的主要因素;自2005年起,喀拉海夏季几近无冰,经向风场与海冰覆盖率开始存在相关性。     

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

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。     

桑沟湾海冰厚度遥感反演研究

为解决现场调查数据覆盖不足的问题,利用卫星遥感数据(Landsat TM和ETM+)对桑沟湾海域的海冰厚度进行了反演。与Zubov模型计算结果相比,本反演结果与之接近(相关系数0.89)。由遥感影像提取结果看出,桑沟湾海冰厚度随时间和空间变化明显。在轻冰年份,桑沟湾基本无冰。在偏重冰年和重冰年份,桑沟湾出现大量浮冰,并且海冰在水动力和风应力的作用下,呈现由近岸到离岸冰厚不断减小的趋势。重冰年份桑沟湾南侧由于受潮汐和风力推动作用下发生挤压变形,近岸出现平均冰厚较大的海冰(20 cm),桑沟湾中部也出现平均厚度约5~10 cm的海冰。