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原文传递一种评估船舶在平整冰中的航行性能及结构动态响应的方法

专利名称：	一种评估船舶在平整冰中的航行性能及结构动态响应的方法
摘要：	本发明公开了一种评估船舶在平整冰中的航行性能及结构动态响应的方法。涉及极地船舶技术领域；该方法采用LS‑DYNA软件对船舶和平整冰相互作用过程进行数值模拟，并建立了船舶三自由度受力方程，通过LS‑DYNA用户自定义载荷子程序实现净推力、舵力和水动力的加载；LS‑DYNA的主程序在时域内计算冰阻力、船舶的运动响应及结构响应，在用户载荷子程序中计算与船舶速度相关的净推力、舵力和水动力，再将这些外力施加在船舶重心处，同时主程序计算船冰相互作用结果，为下一时间步提供船舶运动信息。该方法通过将船舶运动响应与结构响应实时耦合可求解不同冰厚下船舶稳定航行的速度及船艏结构应力响应，以评估极地船舶破冰能力。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	江苏科技大学
发明人：	宋明;王嘉豪;袁巍;田博康
专利状态：	有效
申请日期：	2023-05-18T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-10T00:00:00+0800
申请号：	CN202310563020.9
公开号：	CN117034668A
代理机构：	南京苏高专利商标事务所(普通合伙)
代理人：	曹坤
分类号：	G06F30/23;G06F30/15;G16C60/00;G06F17/11;G06F119/14;G06F111/10;G;G06;G16;G06F;G16C;G06F30;G16C60;G06F17;G06F119;G06F111;G06F30/23;G06F30/15;G16C60/00;G06F17/11;G06F119/14;G06F111/10
申请人地址：	212003 江苏省镇江市京口区梦溪路2号
主权项：	1.一种评估船舶在平整冰中的航行性能及结构动态响应的方法，其特征在于，其具体操作步骤如下：步骤(1)、建立除冰阻力外的船舶外力模型；步骤(2)、采用PATRAN软件建立船舶、平整冰的有限元模型；步骤(3)、建立船舶与平整冰相互作用数值仿真模型；步骤(4)、通过Fortran编程实现外力模型子程序与碰撞主程序的耦合；步骤(5)、在每个时间步长内，LS-DYNA的主程序计算冰阻力、船舶运动响应和船舶结构响应，并将重心节点的速度信息传递给所述自定义的载荷子程序LOADSETUD进行存储；步骤(6)、通过载荷子程序LOADSETUD的计算及LS-DYNA主程序的计算，得到在该冰厚下船舶稳定航行的速度和船舶结构的最大等效应力。 2.根据权利要求1所述的一种评估船舶在平整冰中的航行性能及结构动态响应的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述建立除了冰阻力外的船舶外力模型包括螺旋桨净推力、舵力和作用在船舶上的水动力；另外，根据船舶在冰区航行的运动特点，仅考虑船舶三自由度运动，即纵荡、横荡和艏摇。 3.根据权利要求2所述的一种评估船舶在平整冰中的航行性能及结构动态响应的方法，其特征在于，所述的螺旋桨净推力表示减去敞水阻力后用于克服冰阻力的推力，其具体公式如下： Tpull＝Ke(PsDp)2/3 (2) 式中，Ctf表示是一种考虑螺旋桨与冰块相互作用的推进效率系数，vow表示是最大敞水速度并且v(t)是船速，Tpull表示是系柱拉力；Ps表示是功率，Dp表示是螺旋桨直径，Ke表示是一个无量纲系数。 4.根据权利要求2所述的一种评估船舶在平整冰中的航行性能及结构动态响应的方法，其特征在于，所述螺旋桨净推力和舵外力合并分解到船舶纵荡方向、横荡方向和艏摇方向的结果分别如下式所示：式中，Tnet表示净推力；CL和CD分别表示舵的升力和拖曳力系数；Vf表示流体速度；Ar表示为舵面积；xr表示舵的纵向位置；即舵作用力中心至船舶重心的距离，艉舵为负值。 5.根据权利要求2所述的一种评估船舶在平整冰中的航行性能及结构动态响应的方法，其特征在于，其中所述的作用在船舶上的水动力采用经验公式计算如下：式中，Rn＝uL/ν表示雷诺数；u表示船体纵向速度；L表示船长；ν表示海水运动黏性系数；ρw表示海水密度；Sw表示船体湿表面积；CD(x)表示船体纵向各剖面的拖曳力系数；即流体通过等效于与船体每个纵向剖面横截面面积的无限长圆柱体的阻力系数，D(x)表示船体纵向各剖面吃水；v(x)表示船体纵向各剖面处的横向速度。 6.根据权利要求1所述的一种评估船舶在平整冰中的航行性能及结构动态响应的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述建立船舶与平整冰相互作用数值仿真模型具体是：将船舶与平整冰的有限元模型导入LS-DYNA软件，采用非线性离散弹簧模型模拟水对平整冰的作用，设置边界条件、接触算法、初始条件及材料本构模型，从而建立船舶与平整冰相互作用数值仿真模型。 7.根据权利要求6所述的一种评估船舶在平整冰中的航行性能及结构动态响应的方法，其特征在于，所述采用非线性离散弹簧模型模拟水对平整冰的作用具体是：当平整冰处于静止状态时，其重力与浮力平衡；当船舶与平整冰相互作用过程中，采用非线性离散弹簧模型模拟重力与浮力的合力，弹簧单元的一端为平整冰下表面的节点，另一端节点刚固；其中，所述非线性弹簧单元的刚度与海冰垂向位移的关系如下：式中，Ki表示非线性弹簧单元刚度，h表示海冰垂向位移，ρice表示海冰密度，ρw表示水的密度，g表示重力加速度；另外，在有限元计算过程中，平整冰每个节点的静水力支撑刚度是其附近有限面积的函数，弹簧刚度公式如下：中间节点处弹簧元素A1，A2，A3，A4总的有效面积如下式所示：角节点处弹簧元素A1处的有效面积如下式所示： 8.根据权利要求6所述的一种评估船舶在平整冰中的航行性能及结构动态响应的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述材料本构模型具体是：在船冰相互作用过程中，平整冰同时受到垂直压缩和水平拉力的作用，导致冰发生弯曲和破碎失效；采用LS-DYNA材料库中的“mat_plasticity_compression_tension”材料类型描述冰的力学性能；该弹塑性材料模型通过使用两种不同的屈服应力与有效塑性应变曲线来模拟压缩和拉伸时的不同响应。 9.根据权利要求8所述的一种评估船舶在平整冰中的航行性能及结构动态响应的方法，其特征在于，所述该弹塑性材料模型通过使用两种不同的屈服应力与有效塑性应变曲线来模拟压缩和拉伸时的不同响应具体是：利用应变率与压缩屈服应力因子比例曲线，确定应变率对抗压强度的影响；其中，压缩和拉伸时屈服应力与有效塑性应变的关系如下式所示：式中，σy表示屈服应力，表示初始屈服应力，Ep表示塑性硬化模量，∈p表示是有效塑性应变；其中，Ep的值同时考虑了压缩和拉力；初始抗压屈服强度用10-3s-1应变率/>来计算；表示是初始拉伸屈服强度，其比初始抗压强度小10倍。 10.根据权利要求1所述的一种评估船舶在平整冰中的航行性能及结构动态响应的方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述通过载荷子程序LOADSETUD的计算及LS-DYNA主程序的计算具体是：载荷子程序LOADSETUD计算此时的净推力、舵力和船舶水动力的合力，并将该合力施加在船舶重心节点上并代入下一个时间步； LS-DYNA主程序计算船冰相互作用结果，循环重复直至达到设定的计算时间，从而实现船舶运动响应和船舶结构响应的耦合，最终得到在该冰厚下船舶稳定航行的速度和船舶结构的最大等效应力。
所属类别：	发明专利