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极地平整冰中破冰船运动数学模型
| 论文题名： | 极地平整冰中破冰船运动数学模型 |
| 关键词： | 破冰船;运动数学模型;冰区航行;船-冰碰撞;破冰阻力 |
| 摘要： | 在极地海域航行，船舶不可避免地会与水面所结的冰发生接触。为了方便船舶出入寒冷海域，往往需要破冰船将海域上大面积的平整冰冲破，开辟出一条可以提供给有冰区航行需求的船舶在冰域航行的航道。因此，为了掌握了解冰区航行船舶的操纵性能，保证驾驶员在操纵极地水域航行船舶的安全，对冰区航行的船舶进行运动建模和仿真非常必要。本文以型线简化的“雪龙2”号为研究对象，针对极地冰区平整冰区域破冰船破冰作业破冰阻力数值计算及操纵性运动预报进行了研究。 本文利用SolidWorks绘制了“雪龙2号”破冰船的三维模型；运用ANSYSWorkbench做模型的建立、网格的划分等前期处理；利用LS_DYNA模拟船-冰碰撞，得到了在破冰船与平整冰碰撞过程中，裸船体以及冰层的应力分布状态与变形损伤情况；并对船舶破冰阻力的参数敏感性进行研究，将在不同工况下得到的破冰阻力平均值拟合出适合航海模拟器实时调用的公式；利用TerryFox水池试验与“雪龙2”号无量纲化的数值计算结果对比，证明了本文数值计算的可靠性；并与Lindqvist、Riska、Jeong学者提出的经验公式进行对比分析，误差在20%之内，进一步验证了本文数值仿真模拟的可靠性。 本文基于MMG分离建模的思想，建立了“雪龙2号”在平整冰区航行的操纵运动数学模型，搭建了离线测试仿真平台。当船舶在平整冰域“连续式”破冰时，忽略船舶的垂荡、横摇、纵摇运动，对船舶进行三自由度建模。分别建立包含作用于裸船体上的惯性类水动力及粘性类水动力、螺旋桨推力、舵力以及冰载荷的冰区航行船舶的运动数学方程，同时，也在该船舶运动方程的冰载荷计算部分，又增加了Lindqvist经验公式、Riska方法、Jeong方法三种冰阻力计算方法。 最后本文通过MFC编程语言实现了冰区船舶航行操纵运动状态的仿真，利用四阶Runge-Kutta积分方法解算船舶运动微分方程。为了验证建模方法的可行性和所建模型的准确性，以瑞典的AHTS/IBTorVikingⅡ号船舶为案例，对其在平整冰域的船舶操纵预报仿真，将数值模拟的结果与实船试验的结果数据进行对比分析，仿真误差在0.35%以内，模拟效果较好。之后以“雪龙2号”极地考察破冰船为例，对破冰船在水域和平整冰中以不同航速、不同冰厚的自由直航运动和自由回转运动做了仿真预报，符合平整冰中破冰船航行趋势和操纵性规律。 |
| 作者： | 王晓雪 |
| 专业： | 交通信息工程及控制 |
| 导师： | 张秀凤 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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