冰与船舶的相互作用进程研究

The use of Arctic Passage and the development of the abundant resources in Arctic region urge the increase of the requirements for ice-capable ships. The design philosophies behind the ice class rules for ice-capable ships are based on both operative and safety aspects. The guarantees of these two aspects should be based on the understanding of the interaction process between ice and ship. Although the studies of the ice-ship interaction process have been widely performed in the world, many key problems are still unrevealed. For instances, the dynamic coupling relationship between ship movements and the ice fracture process before the bow, the acting mechanism of the broken ice pieces in the rotating process, the frictional resistance effect of the snow covered ice sheet on the hull, the regularities of the ice load distribution on the mid-ship. This project is just concerning on these basic key scientific problems. The studies will be performed through the combination method of theoretic analyses, model tests and numerical simulations. The studies of this project will advance more general and more detailed understandings on the ice-ship interaction process in the scholar groups, and fill up the blanks of the basic investigating works on ice-capable ships of China. The performance of this project will advance the basic study level and provide bases in the developments of ice-capable ships for China.

北极航道的利用以及北极地区丰富资源的开发，促使目前国际上对高等级冰区船舶的需求迅速增加。冰区船舶的设计宗旨在于保证船舶的安全性和操纵性，而对这两项技术要求的保障，又都必须建立在对冰与船舶的相互作用进程的深入理解上。尽管国际上已针对冰与船舶的相互作用进程进行了广泛的研究，但仍有较多关键性问题尚未得到揭示，如船体运动与冰排在船艏前断裂进程间的动态耦合关系、碎冰块翻转进程对船舶的作用机理、覆雪冰排对船体的摩阻效应、船体舯部冰荷载的分布规律等。本项目正是针对这些关键性基础科学问题，开展基础性的理论分析、物理模型试验与数值模拟工作。所获得的研究成果，将使学术界与工程界对冰与船舶的相互作用进程形成更加全面与细致的了解，从而为高等级冰区船舶的设计建造技术发展提供更加坚实的基础。本项目的开展，将弥补我国在冰区船舶基础性观测工作上的空白，迅速提升我国在冰区船舶发展领域的基础性研究水平，进而为我国冰区船舶事业

北极航道的利用以及北极地区丰富资源的开发，促使目前国际上对高等级冰区船舶的需求迅速增加。冰区船舶的设计宗旨在于保证船舶的安全性和操纵性，而对这两项技术要求的保障，又都必须建立在对冰与船舶的相互作用进程的深入理解上。尽管国际上已针对冰与船舶的相互作用进程进行了广泛的研究，但仍有较多关键性问题尚未得到揭示，如船体运动与冰排在船艏前断裂进程间的动态耦合关系、碎冰块翻转进程对船舶的作用机理、覆雪冰排对船体的摩阻效应、船体舯部冰荷载的分布规律等。本项目正是针对这一问题，通过调查研究、理论分析与物理模型试验相结合的方法，开展了冰与船舶相互作用进程研究。课题组首先结合多年冰模型试验积累的模型冰生成与制备试验技术，成功地开发出模拟极地冰条件的覆雪模型冰盖的室内生成试验技术，并进一步成功地开发出船体冰载荷精细化测量技术与测试数据动态历程的可视化方法。课题组对船体前冰排的破坏模式进行了理论分析，并根据分析结果制定了相应的试验方案，随后在天津大学冰工程实验室内进行了一系列模型试验，对极地海域常遇的平整冰、航道碎冰及浮冰条件下的船舶多种航行过程进行了充分模拟，获得了大量宝贵的冰与船体作用过程的试验数据。在此基础上，课题组通过对一系列模型试验进行观察分析，细致解析了船体艏部线型对冰排破坏模式与航行阻力的影响，以及冰排与船体中部的作用模式和冰载荷分布特征，并进一步将不同冰条件的影响融入其中，最终解析出关键的耦合关系。课题组进一步深入研究了冰与船舶相互作用过程中的力学行为，基于对天然海冰材料的微观力学行为的深入探讨，最终构建了冰与船舶相互作用的数值模型。本项目所获得的研究成果，将使学术界与工程界对冰与船舶的相互作用进程形成更加全面与细致的了解，从而为高等级冰区船舶的设计建造技术发展提供更加坚实的基础。结合课题培养研究生8名。发表论文9篇，其中被SCI收录3篇，EI收录5篇。