[发明专利]一种适用于船舶与浮冰的碰撞仿真模拟方法

说明书

本发明公开了一种适用于船舶与浮冰的碰撞仿真模拟方法，船舶与浮冰的碰撞仿真主要分为三个步骤，即船舶水动力模拟、浮冰碰撞模拟以及浮冰随机分布模拟；船舶水动力模拟选用船舶模型为研究对象，浮冰碰撞模拟先开展船舶静水分析，然后再注入浮冰，浮冰随机分布模拟采用数学模型进行模拟，所述数学模型结合随机概率、基因算法进行建模。该适用于船舶与浮冰的碰撞仿真模拟方法，模拟了船舶航行在充满浮冰的海况下，大部分浮冰与船头发生碰撞被推开，也有部分浮冰会沿着船体滑移一段距离，当进入尾流区后又在湍流作用下旋转，使得模型结果与实验结果非常接近，从而验证了该船舶与浮冰碰撞模型的准确性及模拟方法的可行性。

技术领域

本发明属于船舶安全测试技术领域，具体为一种适用于船舶与浮冰的碰撞仿真模拟方法。

背景技术

很多海域在冬季都会出现结冰现象，浮冰会严重影响航运安全，海域冰情加剧时甚至需要破冰船将水面上的冰层破碎，进而开辟船舶的航道，以引导冰区船只的正常航行，靠近北极的国家还拥有专门的北极破冰船。对于行驶在北极航道的船只，由于浮冰众多，在船舶行驶过程中很可能因为大块的浮冰撞击而导致船舶结构损伤，甚至对船体结构、海上交通及生命安全带来严重的影响。我国“天恩”号货轮进入北极航道数天后，曾遭遇一片密集的浮冰，不过“天恩”号在设计时针对不同程度的冰情进行了不同程度的加固，除了外板、甲板、舷侧骨架、首尾结构和拖带、操纵设备等均做了相应加强外，轮机装置中主机、轴系、减速齿轮装置、螺旋桨、起动装置及冷却水系统、液压系统等设备性能提升也做足了功夫。“天恩”号最终在没有破冰船的帮助下，孤身一船成功穿越北极航道。浮冰的存在对航行于该水域的船舶提出新的挑战，因此理解浮冰对船舶的影响对船舶安全设计至关重要。

现有技术中，此类实验对实验材料的要求较高(如建造船模，拖曳水池，造冰器等)，现实中不易实现，仿真模拟则成为很好的研究方式。为此，本发明针对船舶与浮冰的碰撞，提供一种简要的仿真技术路线并进行实验结果对比。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种适用于船舶与浮冰的碰撞仿真模拟方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于船舶与浮冰的碰撞仿真模拟方法，船舶与浮冰的碰撞仿真主要分为三个步骤，即船舶水动力模拟、浮冰碰撞模拟以及浮冰随机分布模拟；

其中，船舶水动力模拟选用船舶模型为研究对象，船舶静水模拟采用雷诺平均法即RANS法进行求解，采用Levelset方法描述自由液面，和k-e湍流模型；

其中，浮冰碰撞模拟先开展船舶静水分析，待其达到稳态之后，阻力数值及波浪形态收敛，流场解将被锁住，然后再注入浮冰，进行后续的碰撞分析；

其中，浮冰随机分布模拟采用数学模型进行模拟，所述数学模型结合随机概率、基因算法进行建模。

进一步优化本技术方案，在进行船舶水动力模拟时，使用标准的船舶水动力CFD模型模拟求得船舶在静水中航行的的各流场分布和阻力值。

进一步优化本技术方案，在进行浮冰碰撞模拟时，拉格朗日颗粒追踪模型来模拟浮冰，耦合方式为单耦合，即浮冰仅从流场中获取流场对其施加的力，通过CFD模型与拉格朗日颗粒追踪模型的结合实现船舶-波浪-浮冰的相互作用。

进一步优化本技术方案，在进行浮冰随机分布模拟时，使用数学模型描述自然界中浮冰的随机性。

进一步优化本技术方案，所述船舶静水模拟需要明确船舶静水的计算域以及确船舶静水的边界条件。