[发明专利]一种破冰船船体结构的冰载荷分析装置

说明书

本发明提供了一种破冰船船体结构的冰载荷分析装置，包括建模单元、第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和分析单元；针对破冰船与海冰碰撞过程中，其作用在船体结构上冰载荷难以直接测量的问题，通过船体结构测得的应变数据，利用有限元建模，根据不同工况对冰载荷作用区域进行划分，将问题转化为冰载荷方程的优化求解，本发明装置的计算单元采用了正则化方法、广义交叉验证法、信赖域算法三种方法相结合，避免了冰载荷方程求解过程中的病态性，并对方程求解进行了优化，分析得到了冰载荷在船体结构上的作用情况，实现了冰载荷的有效准确识别。

技术领域

本发明涉及船舶力学的技术领域，特别是指一种破冰船船体结构的冰载荷分析装置。

背景技术

两极地区蕴含着丰富的自然资源，随着近年来全球气温的升高，极地区域海冰正在不断融化，人们在两极地区的交通及其它活动日益频繁。破冰船作为可极地区域航行的特殊船舶，在极地活动中扮演着重要角色，而如何确定作用在其结构上的冰载荷对于保障在极地海域航行的船舶安全性和可靠性来说是非常重要。

在极地航行途中，破冰船船体与海冰之间为相互运动状态，而对于存在相互运动的两个物体来说，其载荷的确定通常有三种思路：第一种思路为在两个物体相对接触面上安装力学传感器，这是最直接获得相互作用载荷的方法。但是对海冰区船舶而言，很难在其与海冰的接触面上直接安装力学传感器，因此第一种思路并不常用；第二种思路为通过对相互作用两个物体的结构进行分析，对相对容易发生变形并且便于测量的部位进行直接测量，通过分析测量数据和受力关系可以得到结构间的相互作用载荷。虽然这种思路可以直接地测量出相互作用物体间的载荷，但是其成本高、使用寿命短，并且适用范围有限；第三种思路可以将船体结构看作刚体，忽略其受到载荷作用时产生的弹性变形，通过对其它部位响应(如位移、应变、加速度等)的测量来计算分析输入的作用载荷。但是受环境和技术条件限制，作用在船体结构上的冰载荷很难直接被测量，但结构的应变响应测量则相对容易和准确。对于船舶与海冰碰撞这种无法直接进行测量的冲击载荷来说，可以使用第三种思路来监测结构受到的作用力。在航天工程、桥梁工程、交通运输等领域，这种设计思路已经广泛应用。但由于实际中工程结构的复杂性，这种设计思路还不能直接推广应用于船舶领域在破冰船结构冰载荷研究中。

发明内容

本发明提供了一种破冰船船体结构的冰载荷分析装置，为了解决现有技术中破冰船航行过程中船体冰载荷难以直接测量的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的采用如下技术方案：

一种破冰船船体结构的冰载荷分析装置，包括建模单元、第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和分析单元；所述建模单元用于对船体结构进行建模，在船体结构直接受到冰载荷作用及其附近区域采用三角剖分法进行精细建模，在距离冰载荷作用较远的结构简单区域采用板柱法进行建模；所述第一计算单元用于根据不同工况对冰载荷作用区域进行划分，确定冰载荷方程形式；所述第二计算单元采用正则化方法计算冰载荷方程的系数矩阵；所述第三计算单元采用广义交叉验证法得到冰载荷方程的修正系数λ；所述分析单元根据所选用的冰载荷区域划分方法，将修正系数λ代入冰载荷方程，利用优化算法求解冰载荷方程，分析得到冰载荷在船体结构上的作用情况。

优选地，所述冰载荷方程具体为：

ε＝Sf (1)

式中，ε为输出响应，输出响应为破冰船船冰碰撞过程中测得的应变响应数据，f为输入激励，输入激励为船冰碰撞期间的冰载荷，S为系数矩阵，系数矩阵为它们之间的关系；当有m个应变测量点，冰载荷作用区域划分为n个时，S为m×n维矩阵；

对于线性系统，可以通过将单位载荷单独施加于船体结构的每个作用点或区域来确定系数矩阵；根据等式(1)，系数矩阵S的元素为：

式中，i的取值范围为1～m，j的取值范围为1～n；