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平整冰中破冰船操纵性能初步预报
| 论文题名： | 平整冰中破冰船操纵性能初步预报 |
| 关键词： | 破冰船;破冰阻力;操纵性能;预报仿真 |
| 摘要： | 随着全球气候变暖、极地地区冰层的融化、冰层厚度的减少，各国对于北极资源的开发和争夺越演越烈。破冰船作为在冰环境中的特殊用途船舶，肩负着开辟航道、极地救援、物资供给等重要任务，成为各国现阶段研究的重点。我国对于破冰船运动性能的研究处于起步阶段，有很多问题亟需解决。本文的主要目的是通过对平整冰中破冰船三自由度操纵运动方程的研究，建立破冰船操纵性预报模型，形成初步的平整冰中破冰船操纵性预报理论和仿真预报软件，为今后破冰船操纵性能的预报仿真提供理论基础和技术支撑。 本文首先总结了海冰的物理力学性质，详细分析了海冰与船体的作用方式和破冰船连续破冰过程，建立了一种计算破冰阻力的方法；归纳整理了计算破冰船破冰阻力的经验公式，包括Lindqvist公式、Riska公式和其他较早期的经验公式；基于有限元软件LS-DYNA对某极地科考船在不同厚度的平整冰中以不同前进速度进行运动仿真，将仿真结果与理论计算结果和经验公式计算结果进行对比，验证理论方法的准确性。 随后对破冰船的运动进行分析，通过合理的简化建立平整冰中破冰船水平面三自由度运动方程，基于MMG分离建模思想，将破冰阻力作为作用在船上的外力，即将作用于破冰船上的外力分为裸船体流体动力、主动力（螺旋桨力、舵力）和环境干扰力（主要为破冰阻力），系统地阐述了裸船体流体动力计算模型，主动力（螺旋桨力和舵力）在敞水工况和平整冰工况下的计算模型。 接着对平整冰中破冰船的水动力导数进行理论分析，给出水动力导数计算模型，分别采用STAR-CCM+和LS-DYNA仿真软件对无冰水域和平整冰工况中某极地科考船各运动进行仿真，得到船舶各运动状态受到的横向力和横向力矩曲线，根据公式对曲线进行非线性拟合计算得出敞水工况和平整冰工况下船模的无量纲水动力导数，完善裸船体水动力的计算模型，分析平整冰对破冰船水动力导数的影响。 最后，通过MATLAB程序语言，采用四阶龙格-库塔法求解平整冰中破冰船三自由度操纵运动微分方程，编制了平整冰中破冰船操纵性初步仿真计算程序。以仿真计算程序为主体，采用VB语言编制了破冰船操纵性预报仿真平台，以计算敞水工况和平整冰工况下的破冰船操纵性，并可将预报结果输出成格式化的计算报告书。以瑞典多功能破冰船AHTS/IB Tor Viking II为例，对其在平整冰中的操纵运动进行预报仿真，与实验结果进行对比有较好的一致性。以某极地科考船为例，对其在不同航速不同冰厚中的回转运动进行了预报仿真，分析了冰厚对回转直径的影响。因此可以认为本文给出的平整冰中破冰船的操纵性预报模型及仿真平台有良好的适用性。 |
| 作者： | 康瑞 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 黄胜 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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