破冰结构角度对整冰失效模式的影响分析

白旭 周利 陶冶

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院, 江苏 镇江 212003)

提要 破冰船破冰过程中整冰的失效模式对于冰载荷的估算十分重要。本文基于力学方法分析了破冰船破冰过程中破冰结构与整冰的相互作用, 得到了影响冰体失效的冰力分量与破冰结构参数的表达关系, 进而确认冰摩擦系数以及坡度角与冰体失效模式的关系。依据北极海冰的摩擦系数范围, 指出当破冰船破冰结构坡度角小于 70°时, 冰体发生弯曲破坏, 当坡度角处于 70°—82°时, 冰体同时发生弯曲和挤压失效, 当坡度角大于82°时, 冰体仅发生挤压失效,同时给出了不同失效模式下冰力的计算方法。

0 引言

近十几年来, 随着全球气候变暖, 北极冰层逐年融化, 各国对连接欧洲、东亚和北美的北极航线的探索不断深入; 与此同时, 对北极地区油气和矿产资源的关注不断升温。极地冰区的通航和科学考察、资源勘探需依靠破冰船开辟航道,破冰航行。因此, 准确模拟破冰船的破冰过程具有重要的理论和现实意义。

当前, 国内外已经开展了大量的关于破冰过程的研究。Riska等[1-2]提出了一些半理论半经验的预报模型, 为早期的破冰船设计提供了有效的方法。将破冰过程划分为四个部分: 冰碎、旋转、滑移以及清除。Wang[3]提出了一种运动的海冰与固定锥形结构相互作用的算法, 并对海冰的破坏过程进行了模拟。Su等[4]对破冰船破冰过程的冰载荷进行了研究, 模拟了整个破冰过程。Nguyen等[5]利用这种冰破碎模式来模拟冰船之间的相互作用。……