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极地船舶破冰航行及操纵性能的离散元分析

海冰，扩展多面体，离散单元法，极地船舶，冰载荷

的冰载荷一直国内外关注的问题，也是提升我国极地船舶设计和安全保障的研究内容。该文针对海冰与极地船舶结构作用时的破坏和运动特性，发展了基于扩展多面体离散元的数值计算方法，建立了极地船舶六自由操纵破冰计算模型，开展了平整冰和碎冰条件下船舶不同操纵姿态下的冰载荷分布特性、快速性及操纵破冰性能研究。通过对比分析碎冰区Dubrovin 及平整冰区 Lindqvist 冰阻力公式，验证了该离散元法计算结果的准确性，开展了不同主机功率、冰厚及碎冰密集度影响下的破冰阻力及船体六自由度响应时程分析。在此基础上，采用操纵计算模型进一步研究了冰厚和舵角对极地船舶操纵破冰阻力、破冰航速及操纵回转半径的影响规律。结果表明，随着冰厚及密集度的增加，船体破冰航速明显降低，运动响应更为剧烈，且伴随冰厚进一步提高，可诱导船体发生偏航破冰甚至冰困。与直航破冰相比，操纵航行条件下航行冰阻力随冰厚增加呈现先降低后增加趋势，即在较薄海冰条件下，船舷及艉肩破冰显著，破冰航道较宽，增加了船-冰作用效果，而在较厚海冰条件下，船艏参与主要破冰过程，其破冰阻力随冰厚的增大而增加，并与直航冰阻力变化规律相一致。此外，冰厚及舵角对船舶操纵破冰性能产生重大影响，其冰厚的提高将严重制约船舶操纵性能，且随舵角的增大其操纵性能将得到明显提高。