摘要：北极航道的开发和极地资源的勘采为船舶与海洋工程装备设计制造提供了良好的发展契机,但极地极端载荷环境所引起的复杂力学问题也相应地提出了巨大的挑战。为此,本文首先梳理极地航行船舶与浮体结构物涉及的基础力学问题,回顾并讨论国内外在相关力学问题方面的研究进展和技术难点,对于极区波浪传播的理论模型,分析了质量荷载模型,弹性薄板模型,粘性层模型和粘-弹性模型的优缺点和适用性;对于海冰力学行为的数值方法,阐述了有限元法(FEM)和离散元法(DEM)的数值模拟进展;对比了冰区船舶的自由航行和约束船模实验等。本文为航行船舶与浮体结构物的研发提供了一定的参考。

摘要：针对自然环境恶劣且复杂的北极海域,本文旨在解决冰区船舶的航线规划问题。基于栅格法建立了冰区船舶的作业空间,采用改进蚁群算法规划出全局航线,将预处理后航线的各节点作为待规划的子目标,使用改进滚动窗口算法求解出最终航线。仿真结果表明:改进蚁群算法能以更快的迭代速度规划出静态环境中的全局航线,节点删除算法可剔除冗余节点,降低后续算法的计算复杂度,改进滚动窗口算法能在全局航线的基础上,有效规避环境中的动态障碍物,求解出混合环境中符合冰区船舶运动性能的最终航线。

摘要：为了揭示气泡辅助破冰机理,以极地破冰船气泡辅助破冰系统为研究对象,本文设计制作了船模及气泡辅助破冰系统模型并依托低温实验室进行一系列机理实验。通过机理实验探究加装气泡辅助破冰系统后冰层在船艏、船肩及舷侧的破坏模式,研究气泡辅助破冰系统与海冰相互作用机理。在此基础上对多种物理参数的影响进行分析。研究表明:气泡辅助破冰系统通过在冰层下形成气泡腔,破坏了水对于冰的弹性支撑;同时向上运动的气泡流将碎冰块吹离船体,形成船体与碎冰间的润滑层,从而分别降低了破冰船在冰区航行的破冰阻力和清冰阻力,达到了辅助破冰船航行的效果。

摘要：通过模型试验探究气泡辅助系统降低船舶与碎冰相互碰撞的机理,依托“雪龙2”号船模设计了气泡辅助航行系统,在哈尔滨工程大学室外冰水池内进行了非冻结模型冰碎冰航道的船模拖航试验。通过机理试验,探究气泡辅助航行系统使用前后船模与浮冰相互作用模式的差异,同时根据船艏、船舯的浮冰清除效果,分析该系统对这两部分浮冰碰撞作用的减轻程度;随后改变试验参数,探究航速、喷气量以及浮冰密集度对该系统工作效果的影响,进一步探究该气泡辅助系统的工作机理。

摘要：基于重力流理论,将冰下的气垫扩散假设为圆形,建立了气垫船低速破冰时冰层的破坏模型.分析冰层的受力,并将理论计算结果与Wade的实船实验结果数据进行对比分析,得到的计算公式可以将冰层强度和冰厚分开考虑,使得不同海冰的试验结果可以相互对比.分析了气垫压力与破冰厚度的关系,确定了气垫船气垫压力与最大破冰厚度的关系.计算结果表明：气垫压力越大其最大破冰厚度也越大,在相同的气垫压力和最大的破冰能力要求下,不同航区会达到不同的最小气垫面积要求.得到了气垫船破冰能力的判断方法,可以用来估算气垫船在低速下的破冰能力,指导气垫破冰船的设计.

摘要：针对海上交通环境复杂、内河航道易于碰撞的问题,研究可辅助船舶操纵的自动避碰系统.分析了船舶避碰的影响因素、船舶受力对船舶航行的影响,并对人工势场法进行改进,优化了船舶行驶路径.基于改进的人工势场法设计船舶路径规划流程,以长江水域为例进行弯曲航道的模拟.结果表明,采用人工势场法可以辅助船舶自动航行,在安全的情况下获得较短的避障路径.通过增加转向点可以减小人工势场法局部极小点的发生概率.

摘要：船舶在冰区航行中,冰荷载是船舶结构设计和安全航行的重要影响因素。采用具有黏结破碎特征的离散单元法对船舶在平整冰区的航行过程进行了数值分析。在船舶破冰过程的离散元模拟中,平整冰由球形颗粒黏结而成,同时考虑了海水浮力和拖曳力对海冰单元的作用,颗粒间的黏结作用可在海冰与船体的相互作用过程中发生破碎;船体由三角形单元构造,分析了在海水浮力、推进器推力及海冰共同作用下船体的六自由度运动特性。通过船体与海冰相互作用的离散元分析,确定了船舶在破冰过程中海冰作用在船体上的冰荷载,探讨了船舶推进器推力和海冰厚度对冰荷载的影响,并与Lindqvist船体冰阻力经验公式进行了对比。

摘要：[目的]内聚区长度是处于破坏边缘的内聚力单元长度与其连接的其他内聚力单元长度之和,决定了网格的最大尺寸。精确估算内聚区长度并合理划分网格是影响计算精度的重要因素。[方法]为此,基于J积分的部分假设和已有的研究成果,在原有的内聚区长度计算公式中增加关于长厚比的修正函数,然后将修正后的内聚区长度计算公式应用于冰力学模型,再基于有限元法建立双悬臂梁数值模型进行模拟,并与试验结果进行对比,以验证修正后内聚区长度计算公式的精确性。[结果]研究表明,在一个内聚区长度内至少存在4个内聚力单元才能较精确地描述断裂过程。相关结果应用于三点弯曲试验模型模拟的结果显示,断裂点的极限载荷误差为2.9%且在合理范围内。[结论]修正后的内聚区长度公式更适用于冰材料。

摘要：Agent理论为舰船人员疏散模型研究提供了一个合适的方法。采用几何-拓扑相结合的方法对船舶物理空间建模,引入短期目标的最短路径规划法实现障碍物的有效规避,以及人员的避让。基于Agent理论,考虑人员性别、年龄等多种个体属性,以及船舶摇摆运动的特殊疏散环境对疏散产生的影响,通过舰船人员疏散微观仿真模型的建立,重点研究疏散过程中人的决策机理,再现和解释真实的疏散情形,为舰船人员疏散设计和人群管理提供参考。

摘要：在引入粘结-破碎模型后,用离散元法可以很好地模拟材料裂纹的产生、发展和断裂,而且在冰工程领域中得到运用。建立离散元微观参数和整体模型宏观参数之间的关系是该方法成功应用的关键,但目前关于冰离散元模拟方法中参数匹配的研究较少。论文通过STAR-CCM+软件中的离散元模块建立冰的离散元数值模型,采用三点弯曲的数值模拟方法研究离散元微观参数和整体模型力学性能之间的关系,给出适用于冰材料的离散元微观参数值。