冰-水-结构物耦合运动学导论

极地开发的迫切需求促使了极地装备的大力发展。极地装备运行于冰水耦合环境中，冰-水-结构物的复杂耦合作用成为极地船舶和海洋工程结构物设计和运行的核心问题之一。冰-水-结构物耦合问题涉及多介质、多界面和多尺度，无论在理论分析还是数值模拟上都存在巨大挑战。以此为背景，《冰-水-结构物耦合运动学导论》围绕冰-水-结构物相互作用这一主题，遵循“冰(基础)→冰-水耦合(支撑)→冰-固定/移动结构物耦合(支撑)→冰-水-结构物耦合(核心)→辅助破冰方法(扩展)”的逻辑，分别介绍了海冰基本性质和冰力学数值计算方法、冰与波浪的耦合作用、冰与固定结构物和移动结构物的耦合作用、冰-水-结构物耦合作用、辅助破冰方法等内容。

目录
前言
第1章 海冰基本性质 1
1.1 概述 1
1.2 海冰的物理性质 1
1.2.1 海冰的晶体结构 1
1.2.2 海冰的密度及测量方法 4
1.2.3 海冰的温度 5
1.2.4 海冰的盐度 6
1.2.5 海冰的孔隙率与卤水体积 7
1.2.6 海冰结冰过程简述 8
1.3 海冰的力学性质 9
1.3.1 海冰的强度特征 9
1.3.2 海冰的破坏模式 11
1.4 冰力学的试验方法 17
1.4.1 单轴压缩试验 17
1.4.2 三点弯曲试验 19
1.4.3 巴西盘试验 20
1.4.4 围压试验 21
1.4.5 高速撞击试验 22
1.4.6 原位弯曲试验 24
1.5 小结 24
参考文献 25
第2章 冰力学数值计算方法 27
2.1 概述 27
2.2 有限元方法及其在冰力学方面的应用 27
2.2.1 基本理论 27
2.2.2 扩展方法 34
2.2.3 数值算例 35
2.3 离散元方法及其在冰力学方面的应用 37
2.3.1 基本理论 37
2.3.2 接触模型 39
2.3.3 参数标定 42
2.3.4 数值算例 42
2.4 近场动力学方法及其在冰力学方面的应用 44
2.4.1 基本理论 44
2.4.2 数值方法 49
2.4.3 数值算例 50
2.5 光滑粒子水动力学方法及其在冰力学方面的应用 53
2.5.1 基本方程 54
2.5.2 光滑核函数 56
2.5.3 SPH形式的控制方程 57
2.5.4 数值技术 59
2.5.5 数值算例 61
2.6 格子玻尔兹曼方法及其在冰力学方面的应用 66
2.6.1 玻尔兹曼方程 67
2.6.2 格子玻尔兹曼方程及数值模型 68
2.6.3 数值算例 72
2.7 小结 73
参考文献 73
第3章 冰与波浪相互作用 76
3.1 概述 76
3.2 浮冰与波浪的相互作用 76
3.2.1 波浪作用下浮冰运动的理论分析 76
3.2.2 浮冰与波浪相互作用的数值模拟 80
3.2.3 浮冰与波浪相互作用的试验研究 83
3.3 冰盖与波浪相互作用 89
3.3.1 冰盖与波浪相互作用的理论分析 90
3.3.2 冰盖和波浪相互作用的数值模拟 97
3.3.3 冰盖和波浪相互作用试验 106
3.4 小结 112
参考文献 112
第4章 冰与固定结构物相互作用 114
4.1 概述 114
4.2 典型冰害和海冰破坏模式分类 114
4.2.1 典型冰害事故 114
4.2.2 海冰作用力分类 116
4.2.3 海冰的破坏模式 116
4.3 冰与斜坡结构相互作用 117
4.3.1 冰与斜面结构作用的静冰力问题 117
4.3.2 冰与锥形结构作用的破坏模式 123
4.3.3 不同破坏模式的冰力计算 123
4.3.4 锥体结构冰载荷的试验研究 128
4.4 冰与直立结构相互作用 138
4.4.1 冰与直立结构作用的挤压破坏 138
4.4.2 冰与直立结构作用的劈裂破坏 146
4.4.3 冰与直立结构作用的屈曲破坏 147
4.4.4 冰与直立结构作用的弯曲破坏 148
4.5 小结 149
参考文献 149
第5章 冰区船运动与结构性能 151
5.1 概述 151
5.2 冰区船的阻力特性 151
5.2.1 破冰方式及冰阻力划分方法 151
5.2.2 冰阻力预报方法 152
5.2.3 冰阻力经验公式法 153
5.2.4 冰阻力半解析分析法 156
5.2.5 冰阻力模型试验法 161
5.3 冰区船的操纵特性 165
5.3.1 船舶操纵性基本理论 165
5.3.2 裸船体的力和力矩 167
5.3.3 螺旋桨和舵的力和力矩 170
5.3.4 冰力和冰力矩 171
5.3.5 经验算法的有效性验证 174
5.4 冰区船的推进特性及主机功率预报 175
5.4.1 海冰对螺旋桨的影响 175
5.4.2 冰级船主机功率的理论预报方法 177
5.4.3 冰级船主机功率的规范预报方法 181
5.5 冰区船的结构响应特性 183
5.5.1 数值模型构建 183
5.5.2 冰区船的结构响应案例分析 187
5.6 小结 191
参考文献 191
第6章 冰-水-结构物耦合作用 194
6.1 概述 194
6.2 线性水弹性理论研究 194
6.3 冰-浪-固定圆柱耦合作用 196
6.3.1 基本数学方程 196
6.3.2 冰面应力 198
6.3.3 圆柱受力 200
6.4 冰-水-移动载荷耦合作用 202
6.4.1 兴波特点及临界速度 202
6.4.2 速度分区及滞后距离 205
6.4.3 兴波阻力及冰面应力 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 层冰区航行 218
6.5.3 碎冰区航行 221
6.6 小结 225
参考文献 225
第7章 辅助破冰方法 227
7.1 概述 227
7.2 辅助破冰方法分类 227
7.3 冲击载荷破冰方法 228
7.3.1 爆炸破冰方法 228
7.3.2 高压气泡破冰方法 228
7.4 机械式破冰方法 230
7.4.1 机械锯破冰方法 231
7.4.2 激振力共振破冰方法 231
7.5 辅助介质式破冰/清冰方法 232
7.5.1 气泡辅助破冰/清冰系统 232
7.5.2 冲水系统 234
7.6 辅助船舶运动式破冰方法 236
7.6.1 俯仰系统 236
7.6.2 高速横摇系统 236
7.7 额外浮体/新构型破冰方法 236
7.7.1 气垫破冰平台/船 237
7.7.2 水下潜体 238
7.8 小结 239
参考文献 239