[發明專利]一種航海模擬器模擬船冰交互過程的海冰計算方法

有效

• 申請號: 201710368913.2
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107065597B
• 公開（公告）日: 2019-10-01
• 發明（設計）人: 孫昱浩;尹勇;孫霄峰;神和龍;劉秀文;任鴻翔;張秀鳳;任俊生;肖方兵;叢琳;劉春雷;錢小斌
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種航海模擬器模擬船冰交互過程的海冰計算方法，其特征在于：包括以下步驟：

A、數據初始化

通過航海模擬器設置初始時刻、時間步長Δt、最終時刻，并輸入初始時刻船舶位置信息和海冰狀態信息；

B、檢測海冰數量

當船舶進入海冰場的時候，航海模擬器開始檢測船體周圍并確定與之有接觸關系的海冰數量N，若海冰場為未破碎的平整冰，則令N＝1；

C、判定并標記海冰類型

確定船體水線周圍的海冰并將其標記為可破冰或不可破冰，二者的判定標準簡化為單個海冰的體積V是否達到海冰破碎的極限體積V_limit；

將不在船冰接觸范圍內的海冰及水線下與船體有接觸的海冰都標記為不可破冰；

D、計算海冰受力情況

將海冰的受力情況分解為四個部分：重力、浮力、阻尼力和船冰接觸應力，其中：不可破冰的船冰接觸應力的作用結果是使海冰自由運動，具體應用剛體運動模塊進行計算，并得出海冰運動狀態；可破冰的船冰接觸應力的作用結果是海冰破碎，其破碎標準是船體對可破冰的壓力達到其最大承受壓力，具體應用破冰計算模塊進行計算；破冰計算模塊計算結果包括海冰在破冰過程中受到的海冰力和海冰碎冰形狀變化；

E、將船冰接觸力數據傳入船舶運動模型

航海模擬器對船冰接觸應力的計算結果加以保存并導出至船舶運動模型，用于下一個時間步長的計算；

F、將海冰碎冰形狀及海冰運動狀態傳入冰區視景系統

更新當前海冰破碎及運動狀態，并將狀態信息導出至冰區視景系統；

G、結束判斷

如果當前時刻大于最終時刻，則計算結束，否則，增加時間步長Δt，并利用船舶運動模型更新后的船舶位置信息和海冰狀態信息代替原有的船舶位置信息和海冰狀態信息，轉步驟B。

2.根據權利要求1所述的一種航海模擬器模擬船冰交互過程的海冰計算方法，其特征在于：在步驟C中，若海冰徑向即船舶行進方向破碎長度相同的情況下，判定標準簡化為海冰側面積與海冰厚度平方是否達到海冰破碎的極限體積V_limit。

3.根據權利要求1所述的一種航海模擬器模擬船冰交互過程的海冰計算方法，其特征在于：步驟D中的破冰計算模塊建立方法如下：

結合半無限平面彈性地基理論及半無限彈性楔形梁理論對海冰破碎條件進行分析；在船冰交互中，可破冰的破碎過程分析分為四個部分，即裂紋形成、碎冰形成、彎曲應力計算和冰區航道形成；

船冰發生接觸時破冰過程計算分析方法，包括如下步驟：

D1、計算分析裂紋形成條件

在徑向裂紋即船舶行進方向裂紋形成之前，平整海冰被理想化為半無限平面彈性地基；在冰區視景系統計算破冰模塊的每一個時間步長Δt內，利用式(1)計算出單位面積上的分布載荷q，以及半圓載荷面的半徑r：

其中，F_z是由船冰接觸力在海冰水平面的垂直分量；為船冰接觸面積的二維投影面積；

以船冰接觸點為原點船艏方向為x方向，右舷為y方向垂直向下為z方向建立坐標系；令自由邊上最大的彎曲應力為接觸點即x＝0、y＝0處y方向上的彎曲應力為σ_yy(0,0)，如果σ_yy(0,0)達到海冰抗彎強度σ_f，即達到式(2)條件，則平整海冰的整體結構開始遭到破壞，海冰裂紋開始出現：

σ_yy(0,0)＝σ_f (2)

D2、計算碎冰形成條件

滿足裂紋形成條件后，可破冰中楔形碎冰開始形成，楔形梁結構用于補充半無限平面彈性地基分析方法的不足；

形成楔形碎冰的載荷作用范圍半徑r_w由式(3)解算得出：

其中，b₀為楔形碎冰在離碰撞點1m處的寬度；n_w為單次形成楔形碎冰的數量，取值為3～5之間的隨機整數變量；

當楔形碎冰受到的最大彎曲應力滿足式(4)，環形裂紋形成，滿足可破冰塊碎冰條件，破冰計算模塊在一個時間步長Δt內完成一次破冰分析計算；平整海冰破碎后形成的碎冰，根據其體積大小判斷是否仍為可破冰；

D3、計算彎曲應力

完成對碎冰形成條件的計算后，進行海冰彎曲應力的計算，這里將半無限薄板的控制微分方程應用其中，如式(5)所示；

其中，D為海冰抗彎剛度；為重調和算子；w為海冰的垂直撓度；k為海水的比重；式(5)的計算必須要滿足下式的浮力條件：

其中，v為泊松比，即材料單向受壓或受拉時，橫向正應變與軸向正應變絕對值的比值；

結合式(5)和(6)，將海冰在載荷范圍內彎曲應力σ以式(7)進行計算：

其中，σ_xx和σ_yy分別為x和y方向上的彎曲應力；h為海冰厚度；

結合公式(7)，最大的彎曲應力即接觸點y方向上的彎曲應力σ_yy(0,0)由式(8)表示：

其中，κ為等效參數；kei為Kelvin函數；A₁為函數功能參數；

D4、冰區航道形成過程；

船舶在時域范圍即時長內，循環應用破冰模塊計算海冰破碎過程即得到冰區破冰航道數據模型，具體步驟如下：

D41、以當前航道的形狀和船舶運動數據，計算出下一步船冰接觸區域；所述的船舶運動數據包括排水量、速度、加速度；

D42、以當前接觸區域以及破冰計算模塊計算出破冰力；

D43、將船舶破冰區域應用于先前的船舶航道，在下一時間步長Δt內循環至步驟D41，直至所需航道形成；所述船舶破冰區域為碎冰離開原海冰層而形成的區域。

4.根據權利要求1所述的一種航海模擬器模擬船冰交互過程的海冰計算方法，其特征在于：步驟D中的剛體運動模塊的建立方法如下：

剛體運動模塊適用于計算船冰交互過程中不可破冰的受力及運動姿態分析；作為剛體運動模塊的計算對象，每塊不可破冰被當作不可變形或破碎、可六自由度運動的動態剛體；

根據能量守恒定律，在船冰交互過程中，船體和海冰二者的總能量E是不變的；船冰運動中的總能量E只能在船冰機械能E_mec、熱能E_th及除熱能以外任何內能E_in之間傳遞轉化，即

E＝E_mec+E_th+E_int (9)

船冰接觸前，平整海冰的機械能設置為0；船冰接觸后，假設船舶動力不變，系統能量轉化表現為船舶機械能的轉化為海冰裂紋和破碎以及碎冰運動，若忽略船冰交互過程中熱能和內能的影響，即得到下式：

其中，E_ship為船舶接觸海冰前的動能，E'_ship為破碎碰撞發生后船舶剩余的動能，為海冰破碎后每塊碎浮片的動能，E_crack為形成可破冰裂紋及碎冰的能量；令船舶動能的變化為ΔE_ship，即ΔE_ship＝E_ship-E'_ship，所以式(10)寫為，

在式(11)中，假設船舶動能的變化ΔE_ship里有k％的能量轉換為所有分離出去碎冰的動能E_ice，則剩下的(1-k％)用于形成可破冰的裂紋和碎冰的能量E_crack，即如式(12)所示：

這里，使用經驗式(13)來對每塊碎冰分配獲得的能量E_ice，

P(r_c)＝(r_c/r_w)^-α (13)

其中，P(r_c)為每塊碎冰獲得能量的比例；r_c為碎冰塊中心離船冰碰撞點的距離；r_w為碰撞載荷作用范圍半徑；α為衰減因子；所以，每塊碎冰能得到的初始動能為：

根據動能定義知，所以每塊碎冰的初始速度v_k的大小由式(15)解算而得；

從船冰碰撞點，向碎冰塊的幾何中心作連線，連線所指方向即為每塊碎冰的初始速度v_k的方向；

由式(11)知，船舶破冰過程能量的損失引起了船舶動能的變化ΔE_ship，則設船冰接觸力F_n做功所以式(11)改寫為：

其中，為船舶破冰阻力F_re做功；為海冰對船的抬升力F_up做功；即：

這里，L_re和L_up為F_re和F_up的作用距離。