The most important factor in the structural design of ships and offshore structures operating in arctic region is ice load, which results from ice-structure interaction during the ice collision process. The mechanical properties of ice related to strength and failure, however, show very complicated aspect varying with temperature, volume fraction of brine, grain size, strain rate and etc. So it is nearly impossible to establish a perfect material model of ice satisfying all the mechanical characteristics completely. Therefore, in general, ice collision analysis was carried out by relatively simple material models considering only specific aspects of mechanical characteristics of ice and it would be the most significant cause of inevitable errors in the analysis. Especially, it is well-known that the most distinctive mechanical property of ice is high dependency on strain rate. Ice shows brittle attribute in higher strain rate while it becomes ductile in lower strain rate range. In this study, the simulation method of ice collision to ship hull using the nonlinear dynamic FE analysis was dealt with. To consider the strain rate effects of ice during ice-structural interaction, strain rate dependent constitutive model in which yield stress and hardening behaviors vary with strain rate was adopted. To reduce the huge amount of computing time, the modeling range of ice and ship structure were restricted to the confined region of interest. Under the various scenario of ice-ship hull collision, the structural behavior of hull panels and failure modes of ice were examined by nonlinear FE analysis technique.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제10권1호
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pp.60-68
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2018
A series of tests in an ice tank was carried out using a model-scale ship to investigate the ice loading process. The ship model Uikku was mounted on a rigid carriage and towed through a level ice field in the ice tank of the Marine Technology Group at Aalto University. The carriage speed and ice thickness were varied. In this paper, ice loading process was described and the corresponding ice forces on the horizontal plane were analysed. A new method is proposed to decompose different ice force components from the total ice forces measured in the model tests. This analysis method is beneficial to understanding contributions of each force component and modelling of ice loading on hulls. The analysed experimental results could be used for comparison with further numerical simulations.
In this study, a simplified analysis method was developed to evaluate the fatigue damage of an ice-going ship under broken ice condition. The global ice load, which is essentially calculated at the design stage of the Arctic vessel, and the hull form information were used to estimate the local ice load acting on the outer-shell of the ship. The local ice load was applied to the finite element analysis model, and the Weibull parameters for the target fatigue point were derived. Finally, fatigue damage was evaluated by applying the S-N curve and the Palmgren-Miner rule. For the verification of the proposed method, numerical analyses using direct approach were performed for the same conditions. A numerical model that implements the interaction between ice and structure was introduced to verify the local ice load and the stress calculated from the proposed method. Finally, the fatigue analyses of the Baltic Sea for actual ice conditions were performed, and the results of the proposed method, the method using numerical analysis, and the LR method were compared.
This paper describes the characteristic analysis of ice impact force for the Arctic structure shape. In the present study an energy method has been used to predict the impact force during the ice-structure collision. This study also employs two concepts for reference contact area and normalized stress in analysis procedure. The influences of factors, such as impact velocity, full penetration depth, structure shape and ice floe size, are investigated. Full penetration occurs, particularly at lower impact velocity when ice thickness increase. But "typical size" ice floe does not expected ever to achieve full penetration during the impact procedure. The structure shape is the dominant factor in ice impact force characteristic. The results for various ice-structure collision scenarios are analyzed.
In the present paper, the overall state of the arts of ice mechanics which is the most typical research topic of the artic engineering field was studied. And also, ice loads genrated by ice-structure interaction were estimated using numerical approach. The effects of viscous property of ice sheets to the ice load were investigated. The time dependent deformation behaviors of ice was modeled by visco-plastic problem using the finite element formalism. Constitutive model representing the material properties of ice was idealized by comblned rheological model with Maxwell and Voigt models. Numerical calculations for the bending and crushing behavior of ice sheet which are the most typical interaction modes between ice sheets and structures were carried out. The time dependent viscous behaviors of ice sheets interaction forces acting on structures were analyzed and the results were studied in detail.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제7권4호
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pp.708-719
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2015
The two most important tasks of icebreakers are first to secure a sailing route by breaking the thick sea ice and second to sail efficiently herself for purposes of exploration and transportation in the polar seas. The resistance of icebreakers is a priority factor at the preliminary design stage; not only must their sailing efficiency be satisfied, but the design of the propulsion system will be directly affected. Therefore, the performance of icebreakers must be accurately calculated and evaluated through the use of model tests in an ice tank before construction starts. In this paper, a new procedure is developed, based on model tests, to estimate a ship's ice breaking resistance during continuous ice-breaking in ice. Some of the factors associated with crushing failures are systematically considered in order to correctly estimate her ice-breaking resistance. This study is intended to contribute to the improvement of the techniques for ice resistance prediction with ice breaking ships.
본 연구에서는 착빙 환경 요소와 결빙 형상 파라미터의 관계를 자가조직도와 분산분석을 활용하여 분석하였다. 결빙 형상에 영향을 미치는 외기 조건으로 자유류 속도, 대기온도, 대기중 물방울 함유량(LWC), 액적의 평균 직경(MVD)을 선정하였다. 그리고 결빙 형상의 특징이 되는 파라미터로 최대 두께, 결빙한계(Icing limit), 결빙 진행 방향, 결빙면적을 선정하였다. 자가 조직도의 결과는 결빙형상 파라미터에 관계가 있는 외기 조건에 대한 정성적인 관계를 제시하였고 분산분석의 결과는 형상 파라미터에 대한 외기 조건의 영향력의 상대적인 크기와 순위를 정량적으로 제시하였다.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제32권2호
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pp.268-275
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2008
The shape and array of ice capsules are very important factors in ice thermal storage system because the heat transfer rate of the system strongly depends upon them. In this paper, a new type of ice capsule composed of bar and ring module is proposed to increase the efficiency of the ice thermal storage system. To investigate the heat transfer rate of the proposed ice capsule, numerical analysis of the incompressible Navier-Stokes equations is performed to compare the proposed bar and ring system with the conventional ice capsules. It is shown that the ice capsule composed of bar and ring has a higher heat transfer rate and a low outlet temperature than the conventional ice capsules for various packing ratios and entrance velocities. Furthermore, it is found that the optimal entrance velocity exists between 0.005 m/s and 0.007 m/s from the present numerical analysis.
The Korean icebreaking research vessel "Araon" performed four sea trials in the Arctic and Antarctic Seas. The ice properties, such as the ice thickness, floe size, ice strength, and power of the vessel were quite different in these trials. To compare the speeds of ship with the same ice strength and power, the AARC (Arker Arctic Research Center) method is used with a vessel power of 10 MW and an ice strength of 630 Pa in this paper. Based on the analysis results, the speed of the ship was 1.62 knots (0.83 m/s) with a 1.02-m ice thickness and 2.5-km floe size, 5.3 knots (2.73 m/s) with a 1.2-m ice thickness and 1.0-km floe size, and 13.8 knots (7.10 m/s) with a 1.1-m ice thickness and 200-m floe size. The analysis results showed that the ship speed and floe size have an inversely proportional relationship. Two reasonable reasons are given in this paper for the final result. One is an ice breaking phenomenon, and the other is the effect of the ice floe mass. For the breaking phenomenon, the ice breaking force is very small because the ice floe is not breaking but tearing when a ship is passing through a small ice floe. Regarding the effect of the ice floe mass, it is impossible for a ship to push and tear an ice floe if the mass of the ice floe is too large compared to the mass of the ship. The velocity of the ship decreases when the ice floe has a large mass and a large size because the ship has to break the ice floe to move forward.
This study presents a method for level ice-structure interaction analysis to estimate the fatigue damage of arctic structures by applying plate theory to the behavior of level ice. The boundary element method (BEM), which incurs a lower computational cost than the finite element method (FEM), was introduced to solve the plate bending problem. The BEM formulation was performed by applying the BEM to plate theory. Finally, to check the validity of the proposed method, the BEM results and FEM results obtained using the ABAQUS commercial software were compared. The response results of the BEM analysis agreed well with those of the FEM analysis. Based on the results of the analysis, the BEM approach is considered to be very powerful in level ice-structure interaction analysis for estimating level ice-induced fatigue damage. Further work is being conducted to perform level ice fracture analysis based on the stress field calculated using the boundary element method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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