極地開發(fā)的迫切需求促使了極地裝備的大力發(fā)展。極地裝備運行于冰水耦合環(huán)境中，冰-水-結構物的復雜耦合作用成為極地船舶和海洋工程結構物設計和運行的核心問題之一。冰-水-結構物耦合問題涉及多介質、多界面和多尺度，無論在理論分析還是數(shù)值模擬上都存在巨大挑戰(zhàn)。以此為背景，《冰-水-結構物耦合運動學導論》圍繞冰-水-結構物相互作用這一主題，遵循“冰(基礎)→冰-水耦合(支撐)→冰-固定/移動結構物耦合(支撐)→冰-水-結構物耦合(核心)→輔助破冰方法(擴展)”的邏輯，分別介紹了海冰基本性質和冰力學數(shù)值計算方法、冰與波浪的耦合作用、冰與固定結構物和移動結構物的耦合作用、冰-水-結構物耦合作用、輔助破冰方法等內容。
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目錄
前言
第1章 海冰基本性質 1
1.1 概述 1
1.2 海冰的物理性質 1
1.2.1 海冰的晶體結構 1
1.2.2 海冰的密度及測量方法 4
1.2.3 海冰的溫度 5
1.2.4 海冰的鹽度 6
1.2.5 海冰的孔隙率與鹵水體積 7
1.2.6 海冰結冰過程簡述 8
1.3 海冰的力學性質 9
1.3.1 海冰的強度特征 9
1.3.2 海冰的破壞模式 11
1.4 冰力學的試驗方法 17
1.4.1 單軸壓縮試驗 17
1.4.2 三點彎曲試驗 19
1.4.3 巴西盤試驗 20
1.4.4 圍壓試驗 21
1.4.5 高速撞擊試驗 22
1.4.6 原位彎曲試驗 24
1.5 小結 24
參考文獻 25
第2章 冰力學數(shù)值計算方法 27
2.1 概述 27
2.2 有限元方法及其在冰力學方面的應用 27
2.2.1 基本理論 27
2.2.2 擴展方法 34
2.2.3 數(shù)值算例 35
2.3 離散元方法及其在冰力學方面的應用 37
2.3.1 基本理論 37
2.3.2 接觸模型 39
2.3.3 參數(shù)標定 42
2.3.4 數(shù)值算例 42
2.4 近場動力學方法及其在冰力學方面的應用 44
2.4.1 基本理論 44
2.4.2 數(shù)值方法 49
2.4.3 數(shù)值算例 50
2.5 光滑粒子水動力學方法及其在冰力學方面的應用 53
2.5.1 基本方程 54
2.5.2 光滑核函數(shù) 56
2.5.3 SPH形式的控制方程 57
2.5.4 數(shù)值技術 59
2.5.5 數(shù)值算例 61
2.6 格子玻爾茲曼方法及其在冰力學方面的應用 66
2.6.1 玻爾茲曼方程 67
2.6.2 格子玻爾茲曼方程及數(shù)值模型 68
2.6.3 數(shù)值算例 72
2.7 小結 73
參考文獻 73
第3章 冰與波浪相互作用 76
3.1 概述 76
3.2 浮冰與波浪的相互作用 76
3.2.1 波浪作用下浮冰運動的理論分析 76
3.2.2 浮冰與波浪相互作用的數(shù)值模擬 80
3.2.3 浮冰與波浪相互作用的試驗研究 83
3.3 冰蓋與波浪相互作用 89
3.3.1 冰蓋與波浪相互作用的理論分析 90
3.3.2 冰蓋和波浪相互作用的數(shù)值模擬 97
3.3.3 冰蓋和波浪相互作用試驗 106
3.4 小結 112
參考文獻 112
第4章 冰與固定結構物相互作用 114
4.1 概述 114
4.2 典型冰害和海冰破壞模式分類 114
4.2.1 典型冰害事故 114
4.2.2 海冰作用力分類 116
4.2.3 海冰的破壞模式 116
4.3 冰與斜坡結構相互作用 117
4.3.1 冰與斜面結構作用的靜冰力問題 117
4.3.2 冰與錐形結構作用的破壞模式 123
4.3.3 不同破壞模式的冰力計算 123
4.3.4 錐體結構冰載荷的試驗研究 128
4.4 冰與直立結構相互作用 138
4.4.1 冰與直立結構作用的擠壓破壞 138
4.4.2 冰與直立結構作用的劈裂破壞 146
4.4.3 冰與直立結構作用的屈曲破壞 147
4.4.4 冰與直立結構作用的彎曲破壞 148
4.5 小結 149
參考文獻 149
第5章 冰區(qū)船運動與結構性能 151
5.1 概述 151
5.2 冰區(qū)船的阻力特性 151
5.2.1 破冰方式及冰阻力劃分方法 151
5.2.2 冰阻力預報方法 152
5.2.3 冰阻力經(jīng)驗公式法 153
5.2.4 冰阻力半解析分析法 156
5.2.5 冰阻力模型試驗法 161
5.3 冰區(qū)船的操縱特性 165
5.3.1 船舶操縱性基本理論 165
5.3.2 裸船體的力和力矩 167
5.3.3 螺旋槳和舵的力和力矩 170
5.3.4 冰力和冰力矩 171
5.3.5 經(jīng)驗算法的有效性驗證 174
5.4 冰區(qū)船的推進特性及主機功率預報 175
5.4.1 海冰對螺旋槳的影響 175
5.4.2 冰級船主機功率的理論預報方法 177
5.4.3 冰級船主機功率的規(guī)范預報方法 181
5.5 冰區(qū)船的結構響應特性 183
5.5.1 數(shù)值模型構建 183
5.5.2 冰區(qū)船的結構響應案例分析 187
5.6 小結 191
參考文獻 191
第6章 冰-水-結構物耦合作用 194
6.1 概述 194
6.2 線性水彈性理論研究 194
6.3 冰-浪-固定圓柱耦合作用 196
6.3.1 基本數(shù)學方程 196
6.3.2 冰面應力 198
6.3.3 圓柱受力 200
6.4 冰-水-移動載荷耦合作用 202
6.4.1 興波特點及臨界速度 202
6.4.2 速度分區(qū)及滯后距離 205
6.4.3 興波阻力及冰面應力 209
6.5 冰-水-航行船舶耦合作用 213
6.5.1 CFD-DEM耦合方法 213
6.5.2 層冰區(qū)航行 218
6.5.3 碎冰區(qū)航行 221
6.6 小結 225
參考文獻 225
第7章 輔助破冰方法 227
7.1 概述 227
7.2 輔助破冰方法分類 227
7.3 沖擊載荷破冰方法 228
7.3.1 爆炸破冰方法 228
7.3.2 高壓氣泡破冰方法 228
7.4 機械式破冰方法 230
7.4.1 機械鋸破冰方法 231
7.4.2 激振力共振破冰方法 231
7.5 輔助介質式破冰/清冰方法 232
7.5.1 氣泡輔助破冰/清冰系統(tǒng) 232
7.5.2 沖水系統(tǒng) 234
7.6 輔助船舶運動式破冰方法 236
7.6.1 俯仰系統(tǒng) 236
7.6.2 高速橫搖系統(tǒng) 236
7.7 額外浮體/新構型破冰方法 236
7.7.1 氣墊破冰平臺/船 237
7.7.2 水下潛體 238
7.8 小結 239
參考文獻 239
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