[发明专利]一种基于数值模拟的船舶连续破冰阻力预报方法

权利要求书

1.一种基于数值模拟的船舶连续破冰阻力预报方法，其特征在于，所述方法包括：

对船舶的水线进行节点离散为若干个线段，每相邻两个节点之间的线段在船舶长度方向上的投影距离相等；

将所述船舶对所述冰层所进行的连续破冰过程离散为若干个连续等时长的时间步长，在任意第k个时间步长内执行如下步骤S1-S7，k为时间步长参数且起始值为0：

步骤S1，根据船舶在第k个时间步长内受到的第i迭代载荷得到船舶在第k个时间步长内的第i+1迭代位置第i+1迭代航速第i+1迭代航行加速度i为迭代参数且起始值为0；

步骤S2，根据所述第i+1迭代位置第i+1迭代航速第i+1迭代航行加速度得到船舶的水线在第k个时间步长内的第i+1迭代水线位置；

步骤S3，对冰层在第k个时间步长内的第i迭代冰层结构进行方形网格离散为若干个尺寸相同的正方形的冰网格，每个所述冰网格的边长与冰层厚度以及第i+1迭代航速相关；

步骤S4，根据第i+1迭代水线位置和离散后的所述第i迭代冰层结构确定每个接触冰网格产生的作用于所述船舶的破冰阻力，并根据各个接触冰网格产生的破冰阻力对第i迭代冰层结构迭代得到第i+1迭代冰层结构，所述接触冰网格是冰层中与所述船舶发生接触的冰网格，所述破冰阻力包括挤压力和摩擦力；

步骤S5，基于所述第i+1迭代航速计算浸没冰阻力，并根据所述浸没冰阻力、各个接触冰网格产生的破冰阻力以及其他外部激励载荷得到所述船舶在第k个时间步长内受到的第i+1迭代载荷

步骤S6，若基于第i迭代载荷和第i+1迭代载荷确定未达到预设收敛条件，则令i＝i+1并再次执行步骤S1；否则根据所述第i+1迭代位置第i+1迭代航速第i+1迭代航行加速度以及第i+1迭代载荷构建得到船舶在第k个时间步长内的船舶运动微分方程，并将船舶在第k个时间步长内受到的第i+1迭代载荷作为船舶在第k+1个时间步长内受到的第0迭代载荷，将冰层在第k个时间步长内的第i+1迭代冰层结构作为冰层在第k+1个时间步长内的第0迭代冰层结构；

在时域内应用逐步积分法求解船舶在连续破冰过程的各个时间步长内的船舶运动微分方程得到船舶的连续破冰阻力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对冰层在第k个时间步长内的第i迭代冰层结构进行方形网格离散时，每个冰网格的边长为R＝C_l·l(1+C_v·v_n,2)，冰块的特征长度其中，E为冰的杨氏模量，ν为泊松比，ρ_w为海水密度，g为重力加速度，C_l和C_v为系数，h_ice为冰层厚度，v_n,2为根据第i+1迭代航速确定的相对速度在接触面法向上的速度分量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据第i+1迭代水线位置和离散后的所述第i迭代冰层结构确定每个接触冰网格产生的作用于所述船舶的破冰阻力，包括：

根据所述第i+1迭代水线位置和离散后的所述第i迭代冰层结构确定冰层中与所述船舶发生接触的接触冰网格及其与船舶的接触面积；

基于每个接触冰网格的接触面积计算得到所述接触冰网格产生的垂直于接触面且指向船舶内部的挤压力；

基于每个接触冰网格产生的挤压力以及所述第i+1迭代航速计算得到所述接触冰网格产生的作用于船舶的摩擦力；

将每个接触冰网格产生的挤压力和摩擦力投影到随船固连坐标系统中得到所述接触冰网格产生的作用于所述船舶的破冰阻力。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述第i+1迭代水线位置和离散后的所述第i迭代冰层结构确定冰层中与所述船舶发生接触的接触冰网格及其与船舶的接触面积，包括：

根据所述第i+1迭代水线位置确定船舶的艏部倾角

根据第i+1迭代水线位置确定离散后的所述第i迭代冰层结构中与船舶发生接触的接触冰网格，并确定船舶与接触冰网格之间的最大穿透距离L_c与接触面最大宽度L_h；

根据所述艏部倾角以及每个接触冰网格的最大穿透距离L_c和接触面最大宽度L_h按照公式计算得到所述接触冰网格与船舶的接触面积为h_ice为冰层厚度。