[發明專利]一種平整冰中船舶回轉數值模擬方法

有效

• 申請號: 202210630365.7
• 申請日: 2022-06-06
• 公開（公告）號: CN114925458B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 刁峰;張海華;陳京普;程紅蓉;王偉;萬熠璟
• 申請（專利權）人: 中國船舶科學研究中心
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06F111/10
• 代理公司: 無錫華源專利商標事務所(普通合伙) 32228
• 代理人: 過顧佳

本申請公開了一種平整冰中船舶回轉數值模擬方法，涉及船舶技術領域，該方法將船舶在平整冰中的按照舵角和初始運動參數展開的破冰回轉過程離散為若干個時間步長，并在每個時間步長內基于MMG分離建模思想進行迭代求解構建得到船舶在水平面內三自由度的微分運動方程，在時域內應用逐步積分法求解得到船舶的回轉運動數值模擬結果。該方法兼顧船體運動和受力的耦合效應，基于經典MMG分離建模思想以及船?冰相互作用物理機理，實現平整冰回轉數值模擬，相比于在敞水操縱運動數學模型基礎上對連續破冰阻力采用經驗估算進行處理的方法具有更高的可靠性和穩定性，且精度滿足工程應用需求。

技術領域

本申請涉及船舶技術領域，尤其是一種平整冰中船舶回轉數值模擬方法。

背景技術

隨著全球氣候變暖趨勢加劇，北極海冰不斷消融，北極航道全面通航也指日可待。隨著北極航道的開通，極地船舶作為極區航運貿易、航道運營、資源開發等場景的必需裝備，成為各國造船業研發和建造的熱點。

極地船舶除要求具有良好的敞水航行性能外，還要具有良好的冰區快速性能，優良的破冰能力以及冰區操縱性能。操縱性能是船舶航行性能體系的一個重要方面，船舶操縱性能的精確預報對其正常情況下經濟運營及緊急情況下安全避險等具有指導和輔助決策作用。與開敞水域船舶操縱性能預報不同，極地船舶在平整冰區操縱性能預報要重點考慮海冰介質的存在對船體運動和受力的影響，船-冰相互作用是極其復雜的非線性動態過程，且船體受到的冰阻力與運動是相互耦合的。

傳統的極地船舶冰區操縱性數值模擬思路主要是基于船舶敞水區域的操縱運動數學模型，在計算水動力導數項時計及冰阻力的影響。目前，國內由于船-冰相互作用數值建模及冰水池試驗測試技術發展的滯后，對平整冰中船舶操縱運動數值模擬的研究主要基于常規水域操縱運動數值模型，采用經驗公式或簡化的數值方法計算連續破冰阻力。這種方法雖然在一定程度上能夠獲得與國外參考文獻相近的數值模擬結果，但對冰區操縱特性的模擬不夠精確，大部分研究忽略了冰區操縱過程中船體運動與受力的耦合。

發明內容

本申請人針對上述問題及技術需求，提出了一種平整冰中船舶回轉數值模擬方法，本申請的技術方案如下：

一種平整冰中船舶回轉數值模擬方法，該方法包括：

將船舶在平整冰中的按照舵角δ和初始運動參數展開的破冰回轉過程離散為若干個時間步長，并在每個時間步長內基于MMG分離建模思想進行迭代求解構建得到船舶在水平面內三自由度的微分運動方程；船舶在任意第k個時間步長內在水平面內的微分運動方程其中，M為質量矩陣，A為附加質量矩陣，M和A基于船舶的船舶設計參數擬合得到；表示船舶在第k個時間步長內達到預設收斂條件時的航行加速度；F_ice_k是船舶在第k個時間步長內達到預定收斂條件時的冰阻力，F_hyd_k是船舶在第k個時間步長內達到預定收斂條件時的水動力；F_ice_k基于船舶的實時運動參數和實時冰層結構迭代計算得到，F_hyd_k基于船舶設計參數以及船舶的實時運動參數擬合得到；

在時域內應用逐步積分法求解船舶在破冰回轉過程的各個時間步長內的微分運動方程，得到船舶的回轉運動數值模擬結果。

本申請的有益技術效果是：

本申請公開了一種平整冰中船舶回轉數值模擬方法，該方法基于經典MMG分離建模思想以及船-冰相互作用物理機理，實現平整冰回轉數值模擬，相比于在敞水操縱運動數學模型基礎上對連續破冰阻力采用經驗估算進行處理的手段，本申請兼顧船體運動和受力的耦合效應，通過建立船體三自由度運動方程進行時域動態評估，評估結果具有更高的可靠性和穩定性，經與實船試驗結果對比驗證，數值模擬結果具有一定的精度，滿足工程應用需求。