基于光滑质点流体动力学的海冰热力-动力数值模式

考虑海冰热力因素对其厚度、密集度的影响,在光滑质点流体动力学(SPH)基础上发展了一个海冰热力-动力数值模式。该模式既解决了传统欧拉有限差分法和质点网格法存在的数值扩散问题,同时弥补了光滑质点动力学海冰动力模式未考虑热力因素的不足,具有精确模拟冰缘线运动、计算精度高等优点。首先介绍了光滑质点流体动力学的基本原理,并对海冰生消的热力因素进行了分析,将影响冰厚和密集度的热力因素引入到光滑质点流体动力学的海冰动力模式中,得到该热力-动力模式的控制方程。应用该数值模式对渤海海冰进行了48 h数值模拟,得到了海冰厚度和速度矢量的分布规律;对JZ20-2海域的海冰厚度、冰内温度场分布以及热力因素的变化特性进行了讨论。数值模拟结果表明,该数值模式能够很好地适用于渤海海冰数值模拟,是一种有效的海冰数值模拟方法。     

基于Mohr-Coulomb准则的黏弹-塑性海冰动力学本构模型

针对中小尺度下海冰动力作用过程中的漂移、重叠和堆积特征,在连续介质力学基础上建立了一个黏弹塑性海冰动力学本构模型.该模型主要包括四部分,即海冰在屈服前的Kelvin Vogit黏弹模型、海冰塑性屈服的Mohr Coulomb准则、屈服后相关联的正交流动法则和影响海冰强度的静水压力.采用黏弹塑性本构模型对规则海域内的海冰堆积过程进行了数值试验,其结果与传统黏塑性模型、改进的黏塑性模型和经典冰坝理论的解析解相符,可合理地模拟海冰堆积的动力过程.为进一步检验该黏弹塑性本构模型的适用性,对渤海海冰的动力过程进行了48h的数值模拟,计算结果与海冰卫星遥感现场观测资料一致.通过与传统的黏塑性和改进的黏塑性模型结果的对比分析,进一步验证了黏弹塑性模型在中小尺度海冰动力学模拟中的可靠性.在以上海冰堆积的数值试验和渤海海冰动力学模拟中均采用了光滑质点流体动力学(SPH)方法.     

深水S型铺管中残余变形对屈曲压力的影响

随着S型海管铺设逐步走向深水,管道在铺设过程中承受的荷载增加,发生一定程度的塑性变形。本文讨论S型铺设引起的残余塑性变形对管道屈曲承载能力的影响。首先基于壳单元建立"管道-托辊"相互作用的局部有限元模型,分析了管道在铺设过程中的受力状态,获得了管道的残余塑性变形。然后以该残余变形作为管道非线性屈曲分析的初始缺陷,基于改进的RIKS方法计算了管道的临界屈曲压力。研究结果表明,铺设残余塑性变形在一定程度上削弱管道的承载能力,在深水铺设中应予以考虑。     

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。     

辽东湾锥体平台结构疲劳冰荷载的蒙特卡洛模拟

利用辽东湾JZ20-2海域的海冰现场监测和数值推算资料,确定了海冰的厚度、速度和弯曲强度等海冰参数的概率分布特征;通过构造锥体结构动冰力函数,对该海域锥体平台结构的疲劳冰荷载进行了蒙特卡洛模拟.统计结果表明冰力幅值和冰力周期均符合对数正态分布.为更加合理地确定锥体平台结构的疲劳冰荷载,对冰力幅值和周期进行了联合概率分析.研究成果可用于辽东湾JZ20-2海域锥体平台结构的可靠性设计和疲劳寿命评估。     

Heat Transfer Coefficient between Ice Cover and Water in the Bohai Sea

The calculative method of heat transfer coefficient between ice cover and water is analyzed considering the heat balance at ice cover bottom firstly. The heat transfer coefficient is calculated with the meteorological, oceanographic data and sea ice conditions measured on the JZ20-2 Oil/Gas Platform in the Bohai Sea during the winter of 1997/1998. From the results, it is shown that the heat transfer coefficient is smaller in the freezing and melting periods, which is about 0.16× 10-3 and 0.04× 10-3 respectively. In the middle of ice season, the heat transfer coefficient has a larger value, which is about 0.5 × 10-3. Lastly, the influences of ice thickness and ice type on the heat transfer coefficient are discussed. With the heat transfer coefficient determined above, the oceanic heat flux in the winter of 1997～1998 is calculated, and its trend in the winter is analyzed. This study can be referenced in the sea ice numerical simulation and prediction in the Bohai Sea.     

锥体导管架海洋平台冰激结构振动响应分析

渤海冰区油气开发中,在桩腿上安装抗冰锥体的导管架平台是最常见的结构形式.冰激结构振动不仅会造成平台结构的损伤,还将对平台上部管线和设备的安全运行构成极大的威胁,并影响平台作业人员的正常生活和生产操作.针对渤海冰区锥体平台结构冰激振动响应的三种计算方法进行了研究,即平台结构的有限元分析、简化的结构动力分析和冰振响应幅值统计分析.以辽东湾JZ20-2油气田的MUQ平台为例,对以上三种冰振响应计算方法进行对比,以讨论它们的一致性和各自的适用条件.结果表明,这三种分析方法的计算结果基本一致,但有些计算参数需要现场实测资料的确定.     

颗粒滚动-滑动转换机制及摩擦系数的试验研究

颗粒间的滑动、滚动摩擦对其微观、宏观动力特性有很大的影响。在颗粒流体动力学研究中,对颗粒介质的滑动摩擦已有深刻的认识,而对滚动摩擦及其与滑动摩擦间相互关系的研究还需进一步深入。滚动摩擦的影响因素较多,且作用机理复杂,至今没有形成统一的理论。通过颗粒滑动–滚动摩擦试验,分析了颗粒表面粗糙度和形状对颗粒摩擦力的影响,初步研究了颗粒滚动–滑动摩擦的转化机制。试验结果表明：颗粒在不同的粗糙度和不规则形态影响下表现出滑动或滚动的不同运动形式,并呈现出一定的转化特性。该试验还进一步测定了颗粒滑动、滚动摩擦系数,定性地分析了颗粒的表面粗糙度和几何形态对它们的影响。     

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。     

海冰侧限剪切强度实验方法

剪切强度是研究海冰破坏准则的重要参数。由于海冰的特殊性，海冰的剪切实验难于实现。采用常规材料的剪切实验方法将导致一些方法误差。本设计了一种新的实验装置获得了海冰在三个加载方向的剪切强度，同时测试了海冰的内摩擦系数。在本实验基础上利用Ｃｏｕｌｏｍｂ－Ｍｏｈｒ理论研究了海冰的破坏准则。