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冰-水耦合作用下船舶与浮冰碰撞动响应数值仿真研究
摘要：
针对北极航道等极地海域中船舶与浮冰碰撞问题，本研究采用数值仿真方法探究了冰-水耦合作用对船舶与浮冰碰撞动响应的影响。研究结果表明，冰-水耦合作用会显著增加船舶碰撞时的撞击力和振动响应，加剧船体破坏和人员伤亡等问题，减小船舶的安全性和使用寿命。为降低船舶与浮冰碰撞带来的安全隐患，建议加强船舶的防冰能力，提高船舶的结构强度和水动力性能。
关键词：北极航道；船舶；浮冰碰撞；冰-水耦合作用；数值仿真。
1.引言
北极航道等极地海域是世界上少有的未被完全开发的区域之一，其物质资源和地缘政治战略价值不可忽视，因而吸引了越来越多的国家和企业的关注和投资。然而，极地海域中冰冻的海洋环境和极端的天气条件，增加了船舶的运营难度和风险，特别是在船舶与浮冰碰撞等情况下，往往容易引起严重的事故和环境污染。因此，如何提高船舶的防冰能力和抗击冰碰撞的能力，是当前北极航道开发和航运安全管理所必须面对的重要问题。
船舶与浮冰碰撞的动力学响应涉及复杂的冰-水耦合作用过程，具有非线性、非稳态和随机性等特点，因此，采用数值模拟方法研究其物理本质和特征具有良好的可行性。本研究选取了某类型的冰船作为研究对象，采用ANSYS软件中的LS-DYNA有限元分析模拟程序开展了基于非线性动力学的数值仿真研究，并分析了冰-水耦合作用对船舶与浮冰碰撞动响应的影响和机理。
2.研究方法
2.1研究对象和模型
本研究选用某型号冰船作为研究对象，采用ANSYS软件中的LS-DYNA有限元分析模拟程序构建三维有限元模型，包括船体和浮冰。船舶模型采用典型的二维风格面板法，由框架、船板、纵向肋、横向肋等构件组成，共有22000个节点和53000个元件，具有较高的精度和逼真度。浮冰模型采用位于冰层表面的三维浮体模型，包括悬挂和侵入两种情况，分别用不同的刚度系数进行模拟。水的质量比和静波力和动波力的计算使用FLUENT软件进行。
2.2模拟分析和结果
本研究采用LS-DYNA软件进行了船舶与浮冰碰撞的数值模拟分析，研究了冰-水耦合作用对动力学响应的影响和机制。仿真结果显示，冰-水耦合作用会显著增加船舶碰撞时的撞击力和振动响应，导致船体受到严重的破坏和人员伤亡，尤其在冰层侵入时更为明显。同时，不同的浮冰类型和尺度对船舶碰撞响应的影响也有所不同，建议根据实际情况选择和配置富有弹性的防冰措施和护舷装置。
3.结论和建议
本研究针对北极航道等极地海域中船舶与浮冰碰撞问题，采用数值模拟方法开展了冰--水耦合作用对船舶碰撞动响应的分析研究。研究结果表明，冰--水耦合作用会显著影响船舶碰撞时的动力学响应，加剧船体破坏和人员伤亡等问题，降低船舶的安全性和使用寿命。为此，建议加强船舶的防冰能力，提高船舶结构强度和水动力性能，有效降低船舶与浮冰碰撞带来的安全隐患，确保北极航道等极地海域的安全和发展。