盐水柱状模型冰弯曲强度数值计算分析

刚旭皓，田于逵，余朝歌，季少鹏，寇莹

中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082

0 引 言

船舶在冰区中航行时会受到诸多因素的影响，如海冰物理力学特性、海冰密集度、船体形状、航行速度等，其中冰的物理力学特性是通过直接影响冰层的承载能力来对船舶冰阻力产生最本质的影响。在冰区船舶破冰过程中，弯曲破坏为冰层主要的破坏形式之一[1]，因此，研究冰的弯曲强度对于冰区航行船舶的破冰阻力具有重要意义。

自20 世纪70 年代以来，研究人员针对冰的弯曲强度陆续开展了研究，当前针对冰弯曲强度的研究方式主要有现场试验、模型试验和数值计算等方法。Maattanen[2]在波罗的海的现场试验中就冰样尺寸和加载速率对海冰弯曲强度的影响进行了研究，得到冰的弯曲强度会随冰样宽度的增加而增加，但几乎不受冰样长度影响的结论。Frederking和Timco[3-4]分别在不同的时间就模型冰的弯曲强度进行了试验，测得冰的弯曲强度与加载速率无明显相关性。李志军等[5]对细粒酒精冰弯曲强度的影响因素进行研究，确定了加载速率对模型冰弯曲强度的影响与渤海海冰类似，均呈韧脆转变的特性。在数值计算方面，季顺迎[6]利用离散元方法（discrete element method，DEM）对冰的压缩强度和弯曲强度进行了数值计算，并对计算模型的细观参数予以了校准；韩端峰等[7]利用SPH（smoothed particle hydrodynamics）方法对冰的三点弯曲进行模拟，定义了粒子间的作用类型。DEM 法与SPH法均是采用粒子法来对冰层进行模拟，粒子法的关键是确定粒子之间接触的搜索方法。……