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碎冰和层冰下航行体出水破冰动力学特性试验研究

摘要

极地资源蕴藏丰富、航运潜力巨大、地理位置特殊，极地安全问题已经成为世界各

国关注的重点。航行体破冰出水是典型的极地破冰问题之一，水下航行体在极地出水，

可能面临碎冰区、浮冰区和冰盖区三种场景，不同场景中海冰的分布和作用特点截然不

同，给航行体的运行稳定性和结构安全带来了巨大挑战，目前国内外关于此方面的相关

研究尚十分匮乏。基于此，本文开展航行体出水破冰动力学问题研究，揭示不同冰的状

态或场景下航行体-冰-水耦合作用机理，分析航行体撞冰出水头部压力和轴向力载荷特

性，并获得冰层破坏模式，为保障航行体运动稳定性和结构安全性提供支撑。

针对碎冰区、浮冰区和冰盖区三种场景，本论文通过试验的方法构建了在碎冰、漂

浮层冰、固定层冰三种条件。记录并分析了三种条件下航行体出水破冰过程中冰层破碎

的发展规律以及头部压力与轴向力变化特性，论文研究内容如下：

首先，基于柱形水罐、运动控制系统、数据采集系统、制冰系统搭建了一套出水破

冰试验系统，实现了传感器数据采集与冰层破碎过程拍摄的同步进行，通过重复性试验

验证了试验数据的准确性并设计了碎冰、漂浮层冰、固定层冰三种条件下的试验工况。

其次，开展了碎冰条件下航行体出水试验，制备了三种不同尺寸的碎冰，研究了碎

冰尺寸、航行体速度、碎冰覆盖率等多种参数对航行体头部压力和轴向力的影响规律。

再次，开展了漂浮层冰条件下航行体出水试验，制备了三种厚度、四种尺寸的层冰，

研究了层冰厚度、层冰尺度以及航行体速度对航行体出水破冰的影响。获得了在不同冰

厚下，冰层破碎的发展规律。

最后，开展了固定层冰条件下航行体出水试验，并与漂浮层冰条件下航行体出水试

验进行了对比，分析了边界条件对航行体出水破冰的影响。在此基础上，研究了在航行

体破冰过程中水对层冰的支撑作用。

关键词：航行体破冰出水；冰层破坏模式；撞击压力；轴向力

碎冰和层冰下航行体出水破冰动力学特性试验研究

Abstract

Withrichresources,hugeshippingpotentialandspecialgeographicallocation,polar

securityhasbecomethefocusofattentionofallcountriesintheworld.Icebreakingand

emergingfromthepolariceisoneofthetypicalpolaricebreakingproblems.Underwater

vehiclesmayfacethreescenarios:icebreakingarea,floatingiceareaandicesheetarea.The

distributionandfunctioncharacteristicsofseaiceindifferentscenariosarecompletelydifferent,

whichbringsgreatchallengestotheoperationalstabilityandstructuralsafetyofvehicles.Based

onthis,thisarticleconductsresearchonthedynamicsoficebreakingwhenthevehicleisout

ofwater,revealingthemechanismofcouplingbetweenthevehicleandicewaterunderdifferent

icestatesorscenarios,analyzingthepressureandaxialforceloadcharacteristicsofthewater

headwhenthevehiclecollideswithice,andobtainingtheicelayer