摘要：北极地区拥有丰富的油气资源,在该海域进行油气资源的开发和利用具有巨大的发展前景,但也极具挑战性。当前海洋平台的设计规范并未充分考虑海冰的影响。北极海域存在无冰期和有冰期,为了实现平台全年在海上进行作业,需要联合考虑波浪载荷和冰载荷的作用。本文研究某半潜式海洋平台在波浪、平整冰以及碎冰不同工况下的动态响应,采用势流理论和莫里森方程计算波浪载荷,利用离散元方法求解冰载荷,使用细长体有限元的方法分析锚泊系统,通过非线性时域计算求解得出平台的运动以及锚泊系统受力。结果显示:相较于其他环境载荷,平整冰作用下锚链的张力最大;在较小的海冰厚度、海冰密集度和冰块平均面积下的碎冰区,平台的运动符合现行安全规范。本文的研究可为北极地区油气资源的安全开发提供参考价值。

摘要：冰载荷是主导极地船舶结构抗冰设计的环境载荷,对冰激应变的实船测量是获取冰载荷的重要途径。在我国北极科考期间,对“雪龙2”号极地考察船开展了冰载荷现场监测。论文基于对正应变测点布放位置敏感性的分析,合理制定光纤光栅传感器的安装方案,采用影响系数矩阵法对冰载荷进行识别。在此基础上,针对平整冰区冲撞式破冰工况下冰载荷的整体和局部时空分布特性开展研究。结果表明:肋骨腹板上靠近且垂直于外板的挤压正应变比平行于外板的弯曲正应变更适合于作为冰激应变的观测量;海冰沿船体表面擦碰及受船体下压作用而发生弯曲破坏,冰载荷在船体首肩部呈现自水线下潜至船底的整体空间移动特性;高压力区形状和面积变化不明显、组成部分缺失以及主次压力区转换等瞬时演变形式分别是海冰纯挤压、剥落和非同时挤压等局部破坏模式的外在表现。结果可为船舶结构冰载荷的监测识别技术与时空分布特性研究提供参考。

摘要：论文建立了一种极区船舶结构冰激疲劳评估方法。基于极地科学考察船在北极现场的测量数据,分析得到海冰的统计特性;由冰厚和航速的联合概率分布,得到极区环境航行的典型工况。采用离散元方法建立船-冰作用模型,获取不同工况下船首局部区域的冰载荷分布。将局部冰载荷施加在船首有限元模型的对应区域,采用插值方法计算热点区域应力幅值和循环次数。根据累积疲劳损伤理论,将各工况的疲劳损伤叠加,得到总损伤。为验证该方法的准确性,将船舶结构冰激疲劳寿命计算结果与英国劳氏船级社规范进行了对比分析。结果表明,该方法可很好地应用于极区船舶结构冰激疲劳设计。

摘要：极地船舶在冰区航行中经常与各种类型的海冰发生不同程度的碰撞,充足的疲劳强度储备至关重要。本文提出了基于实测冰载荷的极地船舶结构冰激疲劳的累积损伤分析方法。以“雪龙”号极地考察船为研究对象,通过对我国第8次北极科学考察中的冰厚和航速等现场测量数据进行统计分析,在冰厚0.5~2.5 m、航速2~12 kn范围内构造冰激疲劳工况,并将二者的联合概率分布作为疲劳工况的发生概率;基于支持向量机方法反演识别出典型工况下的冰载荷时程,通过动力学分析确定关键位置及相应的热点应力,并采用雨流计数法统计应力循环次数;最后通过S-N曲线和Miner线性累积损伤理论进一步计算该航次内的疲劳损伤度,验证了“雪龙”号在冰区航行的安全性。本文对极地船舶结构的抗冰设计和安全评估具有一定的参考意义。

摘要：海冰拉伸强度是寒区海洋工程中的重要设计参数,也是影响寒区船舶及海工结构冰载荷的主要因素。为研究渤海海冰拉伸强度,开展系统的现场巴西盘劈裂试验。试样采用典型的柱状结构海冰,柱状冰晶长轴方向与圆盘的厚度方向相一致。结果表明:海冰拉伸强度对卤水体积、孔隙率较为敏感,随卤水体积的增加呈下降趋势;当孔隙率由85‰降低至10‰时,其拉伸强度由0.25 MPa升高至0.41 MPa;伴随冰温与卤水体积的变化,海冰巴西盘试样刚度表现出显著差异性;试样温度会影响裂纹的扩展速度与裂纹界面形态。研究成果可为海冰拉伸强度测定方法、海冰巴西盘劈裂试验参数研究和寒区船舶与海洋工程结构抗冰设计指标提供有益参考。

摘要：海冰弯曲强度是确定锥体海洋平台、船舶和港口码头等斜面工程结构冰载荷的重要参数,是海冰力学性质的主要研究内容。本文首先对2009—2010年的渤海海冰三点弯曲试验数据进行总结,分析了温度、盐度、密度及孔隙率对海冰弯曲强度的影响。基于现场试验数据建立了海冰弯曲强度的循环神经网络(recurrent neural network,RNN)预测模型,并采用随机梯度下降法和Adam优化算法对RNN预测模型进行了优化。本预测模型将海冰温度、盐度、加载速率和密度等参数作为输入,将海冰弯曲强度作为输出。在建模过程中,数据被随机排序和归一化处理,并采用评价指标评估其模型的准确性,对RNN预测模型进行优化。将RNN模型对海冰弯曲强度的预测结果与试验经验公式结果进行了对比。预测结果表明,RNN模型对海冰弯曲强度的预测精度显著优于试验经验公式分析结果。该预测模型能有效解决海冰弯曲强度与其影响因素间的复杂的非线性关系,可为海洋工程结构的抗冰设计提供参考依据。

摘要：寒区有砟轨道中碎石道床在低温冰冻条件下的力学性能与常温明显不同,道砟颗粒间的冻结强度是影响道床动力学特性的一个重要参数。为进一步探究级配碎石在冻结条件下的弯曲力学性能,设计并制备了不同含冰率的冻结碎石集料试样,通过开展室内低温三点弯曲试验,研究了含冰率对冻结试样加载力-挠度曲线及弯曲强度的影响,并分析了冻结试样的断裂行为及断裂耗能情况。试验结果表明,试样的弯曲断裂失效过程可以分为脆性断裂和峰后应变软化型断裂两部分,加载力-挠度全曲线在脆性断裂时出现明显加载力跌落现象,而在应变软化型断裂过程中曲线下降趋势平缓。含冰率的提高显著增大了试样的弯曲强度,含冰率与弯曲强度之间的关系可近似线性表示。高含冰率试样弯曲脆性断裂时试样中部下方可观察到明显的受拉裂纹,并沿着道砟接触面向上不断扩展。含冰率较低时,试样脆性断裂耗能略高于应变软化型断裂耗能,其耗能占总消耗能量的70%以上,试样以脆性断裂为主;随着含冰率增大,试样脆性断裂能占比急速下降,应变软化型断裂逐渐占主体且不容忽视。

摘要：冰脊对极地船舶及海洋工程结构的冰载荷设计及冰区安全运行具有重要的影响,其几何形态是重要的考虑因素。为研究冰脊的几何形态,本文基于Voronoi切割算法构造扩展多面体海冰单元,并使其相互冻结形成平整冰;采用离散单元法模拟海冰在相向运动时挤压形成冰脊的动力过程,统计分析脊帆高度、龙骨宽度、龙骨深度、龙骨水平倾角等主要几何参数,并确定这些几何参数间的对应关系。将离散元模拟结果同冰脊现场观测资料对比分析以验证扩展多面体离散元方法模拟冰脊形成过程的可行性。在此基础上讨论冰厚、冰速、海冰强度等因素对冰脊形态的影响。本文采用离散元方法对冰脊形成过程及几何特性的数值分析可为深入开展冰脊的形成机理及其对船舶、海洋工程结构物的冰载荷分析提供参考依据。

摘要：在海冰与自升式海洋平台结构的相互作用过程中,冰载荷是影响平台结构振动响应和疲劳寿命的重要因素.采用具有粘接--破碎效应的离散元模型,可对海冰与自升式海洋平台结构作用中的海冰破碎特征及相应冰载荷进行数值分析.针对自升式海洋平台的多桩腿结构特性及其冰载荷离散元分析的大规模计算需求,建立了基于GPU的并行算法并开发了相应的计算程序.为实现离散元分析的高效计算,采用网格排序方法创建单元邻居列表,以快速确定海冰单元间及其与平台结构间的接触模式和作用力.此外,还发展了球体单元与圆柱形结构在不同接触形式下的计算模型.为检验该离散元模型的有效性,对渤海锥体海洋平台结构的作用过程进行了计算,并与现场实测冰力数据进行了对比验证.在此基础上对多桩腿自升式平台结构的冰载荷进行了离散元分析,获得了海冰的破坏特性,确定了不同桩腿上的冰力时程.该模型可进一步应用于不同类型海洋结构的冰载荷分析,为冰区海洋平台的结构设计和现役平台结构的疲劳分析提供参考依据.

摘要：极地船舶与海洋工程结构冰载荷的确定是其结构抗冰设计、冰区安全运行和结构完整性管理的重要研究内容.当前快速发展的高性能计算技术和多介质、多尺度数值方法为准确、高效地计算结构冰载荷提供了有效的途径,其中以离散元方法为代表的数值方法取得了出色的研究成果.为此,本文针对目前极地船舶与海洋工程结构对冰载荷及力学响应的工程需求,同时考虑国内外对海冰、工程结构与流体相互耦合的多介质、多尺度数值方法研究现状,对极地船舶与海洋工程数值冰水池的概念、框架、开发技术以及基于离散元方法的软件实现与工程应用进行了论述.数值冰水池在船舶与海洋工程结构冰载荷确定方面具有可靠性、经济性、快速性、扩展性和情景化等显著优势.本文工作借鉴数值水池的研究思路,以典型船舶和海洋平台结构冰载荷及结构力学响应的离散元计算为例,探讨了数值冰水池研究的可行性和工程应用前景,阐述其与理论分析、现场测量和模型试验研究相结合的必要性.以上研究有益于中国在极地船舶与海洋工程领域形成具有独立知识产权的数值计算分析平台,对中国极地海洋强国的战略实施具有很好的启发和指导意义.