[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

说明书

本发明公开了一种基于数值模拟的船舶连续破冰阻力预报方法，涉及船舶技术领域，该方法对船舶的水线进行节点离散为若干个线段，将连续破冰过程离散为若干个连续等时长的时间步长进行建模，在每个时间步长内，巧妙的对冰层进行方形冰网格离散，实时模拟船体与冰网格接触、挤压和弯曲失效直至脱离冰层的非线性迭代过程，可以实现对船舶连续破冰繁杂性、随机性及周期性的精确模拟，然后通过时域内的数值求解即可获得与模型试验结果吻合较好的连续破冰阻力，大幅提高连续破冰阻力数值模拟的准确度和效率，有效支撑我国中高冰级极地船舶性能预报和船型设计。

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种基于数值模拟的船舶连续破冰阻力预报方法。

背景技术

目前世界各极地考察大国均在加紧进行极地海洋战略部署，极地航行船舶作为极区航运贸易、航道开辟及维护、资源开发等的必要装备，理所当然成为各国造船界的新目标。极地恶劣的环境条件使得极地航行船舶与常规船舶设计存在较大区别，海冰、低温严寒等水文和气象环境使得极地航行船舶的设计技术和性能预报技术与常规船舶相比更为复杂。极地航行船舶除了要求具备良好的敞水航行性能之外，还要具有良好的冰区航行性能、优良的破冰性能以及冰区操作性能。冰阻力作为极地航行船舶的冰区航行性能预报的基础，对极地航行船舶的总体性能评估及船型优化设计具有重要支撑作用。

极地航行船舶的冰阻力的研究涉及船型与海冰相互作用模式及机理分析，由于海冰存在形式的不同导致极地航行船舶的航行工况主要包括连续式破冰和冲撞式破冰两种，连续式破冰是指极地航行船舶利用艏部特殊结构以及螺旋桨推力执行作业并保持稳定航速的工作方式，适用于常规的层冰冰况。冲撞式破冰是指极地航行船舶倒退数米并以全速冲撞冰层达到破冰航行目的的作业方式，适用于厚冰况或冰脊等恶劣冰况。连续破冰是极地航行船舶最常用的冰区航行模式，该模式下的航行性能评估及船型优化设计严重依赖于对连续破冰阻力的精确预报，而目前通常采用经验估算、模型试验或实船测试方法等方法获取连续破冰阻力，准确度不高、效率也较低。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于数值模拟的船舶连续破冰阻力预报方法，本发明的技术方案如下：

一种基于数值模拟的船舶连续破冰阻力预报方法，该方法包括：

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；

将船舶对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第i迭代冰层结构确定每个接触冰网格产生的作用于船舶的破冰阻力，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，接触冰网格是冰层中与船舶发生接触的冰网格，破冰阻力包括挤压力和摩擦力；

步骤S5，基于第i+1迭代航速计算浸没冰阻力，并根据浸没冰阻力、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船舶在第k个时间步长内受到的第i+1迭代载荷