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航行体倾斜出水破冰载荷及运动特性研究

叶永晧 贺柏岩 裴金亮 张益敢 瞿泽晖 刘华坪 张骏晖 齐润超

叶永晧, 贺柏岩, 裴金亮, 等. 航行体倾斜出水破冰载荷及运动特性研究[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(4): 1-12 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0002
引用本文: 叶永晧, 贺柏岩, 裴金亮, 等. 航行体倾斜出水破冰载荷及运动特性研究[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(4): 1-12 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0002
YE Yonghao, HE Baiyan, PEI Jinliang, ZHANG Yigan, QU Zehui, LIU Huaping, ZHANG Junhui, QI Runchao. Oblique Ice-breaking Load and Motion Characteristics Analysis of Water-exiting Vehicles[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0002
Citation: YE Yonghao, HE Baiyan, PEI Jinliang, ZHANG Yigan, QU Zehui, LIU Huaping, ZHANG Junhui, QI Runchao. Oblique Ice-breaking Load and Motion Characteristics Analysis of Water-exiting Vehicles[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0002

航行体倾斜出水破冰载荷及运动特性研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0002
详细信息
    作者简介:

    叶永晧(2001-), 男, 硕士, 主要研究方向为水下航行体破冰技术

    通讯作者:

    刘华坪(1983-), 男, 教授, 博导, 主要研究方向为水下航行器流体动力学.

  • 中图分类号: TJ630, U663

Oblique Ice-breaking Load and Motion Characteristics Analysis of Water-exiting Vehicles

  • 摘要: 具备出水破冰能力的航行体, 对于极地科学考察与资源勘探具有重要的应用价值。然而, 现有研究多聚焦于垂直破冰, 缺乏探讨倾斜角度对破冰性能的影响。为此, 文中基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合算法建立了航行体倾斜出水破冰数值模型, 系统分析了倾斜角度、初速度及冰层厚度对航行体载荷及运动特性的影响规律。结果表明: 在破冰初期, 航行体尖锥形头部撞击冰层导致冰层局部产生剧烈的应力集中, 其顶部率先萌生径向裂纹并从中部开始破碎失效; 航行体所受合力中心偏离轴线方向, 导致其沿初始倾斜方向偏转加剧, 且该趋势随初速度和冰厚增大愈加明显; 在随后穿冰过程中, 倾斜角度θ=10°工况低速和厚冰条件下, 航行体姿态呈“偏转-回正”模式; 高速和薄冰条件下, 姿态则呈“偏转-直航”模式。研究结果可为极地跨介质航行器设计发展提供参考。

     

  • 图  1  罚函数法原理

    Figure  1.  Principle of penalty function method

    图  2  航行体模型

    Figure  2.  Vehicle model

    图  3  计算域模型及网格

    Figure  3.  Computational domain model and mesh

    图  4  圆柱入水计算模型

    Figure  4.  Computational model of cylinder water entry

    图  5  圆柱位移和速度随时间变化曲线

    Figure  5.  Curves of cylinder displacement and velocity changing with time

    图  6  球形冰-刚性板碰撞模型

    Figure  6.  Spherical ice-rigid plate collision model

    图  7  球形冰破碎过程

    Figure  7.  Process of spherical ice fragmentation

    图  8  压强-面积曲线

    Figure  8.  Curves of pressure-area

    图  9  各方案局部网格示意图

    Figure  9.  Local grids of each scheme

    图  10  航行体载荷变化

    Figure  10.  Variation of vehicle load

    图  11  不同倾斜角度下航行体载荷和加速度变化

    Figure  11.  Variation of vehicle load and acceleration under different oblique angles

    图  12  不同倾斜角度条件下等效应力云图

    Figure  12.  Equivalent stress contours during icebreaking with different oblique angles

    图  13  破冰过程航行体倾斜角度变化曲线

    Figure  13.  Variation curves of the vehicle's oblique angle during the icebreaking process

    图  14  不同初速度下航行体载荷和加速度变化

    Figure  14.  Contact force and acceleration variation with different initial velocity

    图  15  破冰过程航行体倾斜角度变化

    Figure  15.  Variation of the vehicle's oblique angle during the icebreaking process

    图  16  不同初速度下x方向力矩变化

    Figure  16.  Variation of x-direction moment at different initial velocities

    图  17  不同冰厚下航行体载荷变化

    Figure  17.  Variation of vehicle load under different ice thicknesses

    图  18  破冰过程航行体倾斜角度变化

    Figure  18.  Variation of the vehicle's oblique angle during the icebreaking process

    图  19  不同冰层厚度下等效应力云图

    Figure  19.  Equivalent stress contours at different ice thicknesses

    表  1  航行体模型参数

    Table  1.   Parameters of vehicle

    参数数值
    密度2700 kg/m3
    弹性模量69 GPa
    屈服强度270 MPa
    泊松比0.33
    单元类型*SECTION_SHELL
    材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
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    表  2  冰模型参数

    Table  2.   Parameters of ice

    参数数值
    密度910 kg/m3
    剪切模量2.2 GPa
    屈服应力2.12 MPa
    塑性硬化模量4.26 GPa
    体积模量5.26 GPa
    塑性失效应变0.35
    截断压力−4 MPa
    单元类型*SECTION_SOLID
    材料模型*MAT_ISOTROPIC_ELASTIC_FAILURE
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    表  3  水模型参数

    Table  3.   Parameters of water

    参数数值
    密度1000 kg/m3
    单元类型*SECTION_SOLID
    材料模型*MAT_NULL
    状态方程*EOS_GRUNEISEN
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    表  4  空气模型参数

    Table  4.   Parameters of air

    参数数值
    密度1.25 kg/m3
    单元类型*SECTION_SOLID
    材料模型*MAT_NULL
    状态方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL
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    表  5  不同工况计算条件

    Table  5.   Calculation conditions of different working cases

    工况 倾斜角度/(°) 初速度/(m·s−1) 冰厚/(mm)
    1 0 40 40
    2 5 40 40
    3 10 40 40
    4 15 40 40
    5 10 20 40
    6 10 25 40
    7 10 30 40
    8 10 40 20
    9 10 40 30
    10 10 40 50
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    表  6  圆柱材料参数

    Table  6.   Parameters of cylinder

    参数数值
    密度7850 kg/m3
    弹性模量211 GPa
    屈服强度355 MPa
    泊松比0.3
    单元类型*SECTION_SOLID
    材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-01-04
  • 修回日期:  2026-02-12
  • 录用日期:  2026-02-25
  • 网络出版日期:  2026-07-14
图(19) / 表(6)

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