基于S-ALE 方法的圆柱体垂直出水破冰研究1)

汪春辉 王嘉安 王 超 郭春雨 朱广元

(哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001)

引言

在极区，平整冰与海洋结构物间的相互作用形式主要为挤压破坏和弯曲破坏，冰层受结构物作用产生断裂破碎、裂纹扩展和滑移清除过程[1-4].在某些特殊情况，结构物需要上浮穿透冰层破出水面，对冰层施以自下而上的垂向载荷，而冰层垂直贯穿破裂过程十分复杂.

学界对冰与结构物垂直相互作用的研究还不充分，国内外相关研究主要以试验和理论方法为主.由于试验条件要求苛刻及数值技术的发展，一些具备完善冰作用机理的数值方法成为解决这些问题的好方法.并且海冰是一种复杂的材料，有许多因素会影响冰的物理特性，例如，温度孔隙率和盐度、速率依赖性.由于冰可发生大而复杂的变形，模拟冰与结构的相互作用是一个巨大的挑战.

目前，有限元方法(FEM)、离散元方法(DEM)、光滑粒子法(SPH)和近场动力学(PD)等数值模拟方法已被用于模拟冰与结构物间的相互作用，本文采用有限元方法开展圆柱体垂直出水破冰研究.针对水下结构物在冰层下方上浮至破出水面的过程的研究在世界范围内仍处于起步阶段，国内外公开资料极其稀少.因此利用有限元方法分析结构物与冰层垂直相互作用进展可以参考船与冰相互接触的研究资料[5-7].

针对冰与结构物耦合作用有限元数值分析方法，国际上已有大量的研究探索.Ehlers 和Kujala[8]在LS-DYNA 有限元软件中使用……