International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.1
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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.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.11
no.1
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pp.422-434
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2019
Several model-scale tests with a ship model have been performed in the ice tank of the Marine Technology Group in the Aalto University. The ship model of ice going tanker Uikku was mounted rigidly to the main carriage and towed through ice fields. The model tests were performed by changing ice thickness, drift angles and speeds in different ice fields. This paper reports the testing results and different phenomenon during model tests. The measured ice forces are presented and compared to level ice forces. The process of ice forces from broken ice on the ship is also analyzed for some typical tests. The research work could provide guidance on marine structures operating in waters covered by broken ice.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.9
no.2
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pp.209-218
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2017
Sea ice is the main factor affecting the safety of the Arctic engineering. However, traditional numerical methods derived from classical continuum mechanics have difficulties in resolving discontinuous problems like ice damage. In this paper, a non-local, meshfree numerical method called "peridynamics", which is based on integral form, was applied to simulate the interaction between level ice and a cylindrical, vertical, rigid structure at different velocities. Ice in the simulation was freshwater ice and simplified as elastic-brittle material with a linear elastic constitutive model and critical equivalent strain criterion for material failure in state-based peridynamics. The ice forces obtained from peridynamic simulation are in the same order as experimental data. Numerical visualization shows advantages of applying peridynamics on ice damage. To study the repetitive nature of ice force, damage zone lengths of crushing failure were computed and conclude that damage zone lengths are 0.15-0.2 times as ice thickness.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.2
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pp.119-128
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2018
A numerical method is proposed to simulate level ice interaction with ship in transverse and longitudinal directions in time domain. A novel method is proposed to simulate non-symmetric transverse force in a stochastic way. On the basis of observations from the model tests, the simulation of longitudinal force combines the ice bending force acting on the waterline, submersion force below the waterline and ice friction forces caused by transverse force and ice floes rotation amidships. In the simulations the ship was fixed and towed through an intact ice sheet at a certain speed. The setup of the numerical simulation is similar to the ice tank setup as much as possible. The simulated results are compared with model tests data and the results show good agreement with the measurement.
This study aims to develop the numerical method to estimate level ice impact load and investigate the dynamic interaction between an arctic Spar with sloped surface and drifting level ice. When the level ice approaches the downward sloped structure, the interaction can be decomposed into three sequential phases: the breaking phase, when ice contacts the structure and is bent by bending moment; the rotating phase, when the broken ice is submerged and rotated underneath the structure; and the sliding phase, when the submerged broken ice becomes parallel to the sloping surface causing buoyancy-induced fictional forces. In each phase, the analytical formulas are constructed to account for the relevant physics and the results are compared to other existing methods or standards. The time-dependent ice load is coupled with hull-riser-mooring coupled dynamic analysis program. Then, the fully coupled program is applied to a moored arctic Spar with sloped surface with drifting level ice. The occurrence of dynamic resonance between ice load and spar motion causing large mooring tension is demonstrated.
The interaction of grounded ice ridges with underlying seabed is one of the major considerations in the design of Arctic pipeline system. Previously several ice scour models were developed by researchers to describe the ice scour-seabed interaction mechanism. In view of possible improvements, a comparative study of those ice scour models is performed and their limitation in modeling is discussed. Simple laboratory tests are carried out and then the shape pattern of deposited soil around the ice model is newly defined. Unlike the rectangular idealization of an ice block, in this modified ice scour model, trapezoidal cross sections are assumed to represent the typical shape of an ice ridge based on the field observation data. With the horizontal and vertical motion of ice model, the ice scour depth and soil reacting forces on seabed are calculated with varying the keel angle of an ice ridge.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.23
no.1
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pp.40-46
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2017
Shipping activities have become possible in the Arctic Ocean due to melting ice by global warming. An increasing number of vessels are passing through the Arctic Ocean consequently bringing concerns of ship-iceberg collisions. Thus, most classification societies have implemented regulations to determine requirements for ice strengthening in ship structures. This paper presents the simulation results of an ice-strengthened polar class ship after an iceberg collision. The ice-strengthened polar class ship was created in accordance with the Unified Requirements for a Polar-Ship (IACS URI). An elastic-perfect plastic ice model was adopted for this simulation with a spherical shape. A Tsai-Wu yield surface was also used for the ice model. Collision simulations were conducted under the commercial code LS-DYNA 971. Hull deformations on the ice-strengthened foreship structure and collision interaction forces have been analysed in this paper. A normal-strength ship structure in an iceberg collision was also simulated to present comparison results. Distinct differences in structural strength against ice impact forces were shown between the ice-strengthened and normal-strength ship structures in the simulation results. About 1.8 m depth of hull deformation was found on the normal ship, whereas 1.0 m depth of hull deformation was left on the ice-strengthened polar class ship.
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.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.41
no.6
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pp.75-83
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2004
Ice rubble pieces broken by the bow impact load and side hull of an icebreaking vessel usually pass along the ship's bottom hull and may hit the propeller/rudder or other stern structures causing serious damage to ship's hull . Therefore it is important to estimate the size of broken ice pieces during the icebreaking process. The dynamic interaction process of icebreaker with infinite ice sheet is simplified as a wedge type beam of finite length supported by elastic foundation. The wedge type ice beam is leaded with vertical impact forces due to the inclined bow stem of icebreaking vessels. The numerical model provides locations of maximum dynamic bending moment where extreme tensile stress arises and also possible fracture occurs. The model can predict a failure length of broken ice sheet given design parameters. The results are compared to Nevel(1961)'s analytical solution for static load and observed pattern of ice sheet failure onboard an icebreaker. Also by comparing computed failure length with the characteristic length, the meaning of ice rubble sizes is discussed.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.57
no.2
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pp.88-95
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2020
There have been many attempts to predict resistance of vessels in ice floe environment, but they mostly have both strong and weak points at the same time; for instance, simplified formulas are very fast but less flexible to types of ship and ice conditions and other numerical techniques need high computing cost for increased accuracy. A new numerical simulation technique of combining explicit finite element analysis code with a user-subroutine to control real-time forces acting on ice floes was proposed, thereby it was possible to predict ship-to-ice floe resistance with higher convenience and accuracy than other proposed approaches. The basic theory on how real-time hydrostatic and hydrodynamic forces acting on ice floes could be generated using user-subroutine was explained. The heave motion of a single ice floe was simulated using the user-subroutine and the motion amplitudes and periods were almost consistent with analytic values. Towing tests of an icebreaker model ship were simulated using explicit finite element analyses with the user-subroutine. The ice-induced resistance obtained from the towing experiments and simulations showed significant differences. Intentional increase of the drag coefficient to increase the contact duration between the ice floes and rigid model ship leaded the total resistance to be substantially consistent between the model tests and numerical simulations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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