[发明专利]一种航海模拟器模拟船冰交互过程的海冰计算方法

权利要求书

1.一种航海模拟器模拟船冰交互过程的海冰计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、数据初始化

通过航海模拟器设置初始时刻、时间步长Δt、最终时刻，并输入初始时刻船舶位置信息和海冰状态信息；

B、检测海冰数量

当船舶进入海冰场的时候，航海模拟器开始检测船体周围并确定与之有接触关系的海冰数量N，若海冰场为未破碎的平整冰，则令N＝1；

C、判定并标记海冰类型

确定船体水线周围的海冰并将其标记为可破冰或不可破冰，二者的判定标准简化为单个海冰的体积V是否达到海冰破碎的极限体积V_limit；

将不在船冰接触范围内的海冰及水线下与船体有接触的海冰都标记为不可破冰；

D、计算海冰受力情况

将海冰的受力情况分解为四个部分：重力、浮力、阻尼力和船冰接触应力，其中：不可破冰的船冰接触应力的作用结果是使海冰自由运动，具体应用刚体运动模块进行计算，并得出海冰运动状态；可破冰的船冰接触应力的作用结果是海冰破碎，其破碎标准是船体对可破冰的压力达到其最大承受压力，具体应用破冰计算模块进行计算；破冰计算模块计算结果包括海冰在破冰过程中受到的海冰力和海冰碎冰形状变化；

E、将船冰接触力数据传入船舶运动模型

航海模拟器对船冰接触应力的计算结果加以保存并导出至船舶运动模型，用于下一个时间步长的计算；

F、将海冰碎冰形状及海冰运动状态传入冰区视景系统

更新当前海冰破碎及运动状态，并将状态信息导出至冰区视景系统；

G、结束判断

如果当前时刻大于最终时刻，则计算结束，否则，增加时间步长Δt，并利用船舶运动模型更新后的船舶位置信息和海冰状态信息代替原有的船舶位置信息和海冰状态信息，转步骤B。

2.根据权利要求1所述的一种航海模拟器模拟船冰交互过程的海冰计算方法，其特征在于：在步骤C中，若海冰径向即船舶行进方向破碎长度相同的情况下，判定标准简化为海冰侧面积与海冰厚度平方是否达到海冰破碎的极限体积V_limit。

3.根据权利要求1所述的一种航海模拟器模拟船冰交互过程的海冰计算方法，其特征在于：步骤D中的破冰计算模块建立方法如下：

结合半无限平面弹性地基理论及半无限弹性楔形梁理论对海冰破碎条件进行分析；在船冰交互中，可破冰的破碎过程分析分为四个部分，即裂纹形成、碎冰形成、弯曲应力计算和冰区航道形成；

船冰发生接触时破冰过程计算分析方法，包括如下步骤：

D1、计算分析裂纹形成条件

在径向裂纹即船舶行进方向裂纹形成之前，平整海冰被理想化为半无限平面弹性地基；在冰区视景系统计算破冰模块的每一个时间步长Δt内，利用式(1)计算出单位面积上的分布载荷q，以及半圆载荷面的半径r：

其中，F_z是由船冰接触力在海冰水平面的垂直分量；为船冰接触面积的二维投影面积；

以船冰接触点为原点船艏方向为x方向，右舷为y方向垂直向下为z方向建立坐标系；令自由边上最大的弯曲应力为接触点即x＝0、y＝0处y方向上的弯曲应力为σ_yy(0,0)，如果σ_yy(0,0)达到海冰抗弯强度σ_f，即达到式(2)条件，则平整海冰的整体结构开始遭到破坏，海冰裂纹开始出现：

σ_yy(0,0)＝σ_f (2)

D2、计算碎冰形成条件

满足裂纹形成条件后，可破冰中楔形碎冰开始形成，楔形梁结构用于补充半无限平面弹性地基分析方法的不足；

形成楔形碎冰的载荷作用范围半径r_w由式(3)解算得出：

其中，b₀为楔形碎冰在离碰撞点1m处的宽度；n_w为单次形成楔形碎冰的数量，取值为3～5之间的随机整数变量；

当楔形碎冰受到的最大弯曲应力满足式(4)，环形裂纹形成，满足可破冰块碎冰条件，破冰计算模块在一个时间步长Δt内完成一次破冰分析计算；平整海冰破碎后形成的碎冰，根据其体积大小判断是否仍为可破冰；

D3、计算弯曲应力

完成对碎冰形成条件的计算后，进行海冰弯曲应力的计算，这里将半无限薄板的控制微分方程应用其中，如式(5)所示；

其中，D为海冰抗弯刚度；为重调和算子；w为海冰的垂直挠度；k为海水的比重；式(5)的计算必须要满足下式的浮力条件：

其中，v为泊松比，即材料单向受压或受拉时，横向正应变与轴向正应变绝对值的比值；

结合式(5)和(6)，将海冰在载荷范围内弯曲应力σ以式(7)进行计算：

其中，σ_xx和σ_yy分别为x和y方向上的弯曲应力；h为海冰厚度；

结合公式(7)，最大的弯曲应力即接触点y方向上的弯曲应力σ_yy(0,0)由式(8)表示：

其中，κ为等效参数；kei为Kelvin函数；A₁为函数功能参数；

D4、冰区航道形成过程；

船舶在时域范围即时长内，循环应用破冰模块计算海冰破碎过程即得到冰区破冰航道数据模型，具体步骤如下：

D41、以当前航道的形状和船舶运动数据，计算出下一步船冰接触区域；所述的船舶运动数据包括排水量、速度、加速度；

D42、以当前接触区域以及破冰计算模块计算出破冰力；

D43、将船舶破冰区域应用于先前的船舶航道，在下一时间步长Δt内循环至步骤D41，直至所需航道形成；所述船舶破冰区域为碎冰离开原海冰层而形成的区域。

4.根据权利要求1所述的一种航海模拟器模拟船冰交互过程的海冰计算方法，其特征在于：步骤D中的刚体运动模块的建立方法如下：

刚体运动模块适用于计算船冰交互过程中不可破冰的受力及运动姿态分析；作为刚体运动模块的计算对象，每块不可破冰被当作不可变形或破碎、可六自由度运动的动态刚体；

根据能量守恒定律，在船冰交互过程中，船体和海冰二者的总能量E是不变的；船冰运动中的总能量E只能在船冰机械能E_mec、热能E_th及除热能以外任何内能E_in之间传递转化，即

E＝E_mec+E_th+E_int (9)

船冰接触前，平整海冰的机械能设置为0；船冰接触后，假设船舶动力不变，系统能量转化表现为船舶机械能的转化为海冰裂纹和破碎以及碎冰运动，若忽略船冰交互过程中热能和内能的影响，即得到下式：

其中，E_ship为船舶接触海冰前的动能，E'_ship为破碎碰撞发生后船舶剩余的动能，为海冰破碎后每块碎浮片的动能，E_crack为形成可破冰裂纹及碎冰的能量；令船舶动能的变化为ΔE_ship，即ΔE_ship＝E_ship-E'_ship，所以式(10)写为，

在式(11)中，假设船舶动能的变化ΔE_ship里有k％的能量转换为所有分离出去碎冰的动能E_ice，则剩下的(1-k％)用于形成可破冰的裂纹和碎冰的能量E_crack，即如式(12)所示：

这里，使用经验式(13)来对每块碎冰分配获得的能量E_ice，

P(r_c)＝(r_c/r_w)^-α (13)

其中，P(r_c)为每块碎冰获得能量的比例；r_c为碎冰块中心离船冰碰撞点的距离；r_w为碰撞载荷作用范围半径；α为衰减因子；所以，每块碎冰能得到的初始动能为：

根据动能定义知，所以每块碎冰的初始速度v_k的大小由式(15)解算而得；

从船冰碰撞点，向碎冰块的几何中心作连线，连线所指方向即为每块碎冰的初始速度v_k的方向；

由式(11)知，船舶破冰过程能量的损失引起了船舶动能的变化ΔE_ship，则设船冰接触力F_n做功所以式(11)改写为：

其中，为船舶破冰阻力F_re做功；为海冰对船的抬升力F_up做功；即：

这里，L_re和L_up为F_re和F_up的作用距离。