Feasibility study of a semi-empirical simulation model for level ice breaking

Abstract

A semi-empirical method, presented by Biao Su, for simulating the motions and ice loads of a ship in the continuous mode of ice breaking, was implemented with some changes. The feasibility of the method was investigated by a sensitivity study of the empirical parameters of the model and the results were compared to other methods and full-scale data.

The simulation method uses a model for level-ice breaking, that assumes the breaking pattern of ice to be dependent on the relative motion of ice and the ship. Ice is assumed to fail by bending in circular sectors from the parent ice sheet. The forces acting on single hull-ice contacts are calculated and the global loads affecting the motions of the ship are resolved as well as local loads.

The simulation method can be used to determine maximum speed, ice resistance and ice loads in given ice conditions. The results were found to be sensitive to the empirical parameters of the model. Some parameter combinations also led to erratic behavior of the model.

Overall, the predicted speeds, resistances and ice loads were within reasonable limits. However, there was significant scatter in the results arising from the choice of the values of the empirical parameters.

Työssä toteutettiin eräin muutoksin Biao Sun esittämä puolikokeellinen malli laivan liikkeistä ja jääkuormista jatkuvassa tasaisen jään murrossa. Mallin käytettävyyttä ja herkkyyttä kokeellisesti määritettäville parametreille tutkittiin suorittamalla herkkyysanalyysi sekä vertaamalla mallin antamia tuloksia muihin menetelmiin ja täysmittakaavassa tehtyihin mittauksiin.

Simulaatiossa käytetään tasaisen jään murtomallia, jossa oletetaan jään murtokuvion olevan riippuvainen jään ja laivan suhteellisesta nopeudesta. Jään oletetaan murtuvan taipumalla ja murtuvien palojen olevan muodoltaan ympyrän sektorin rajaamia. Yksittäisessä rungn ja jään kontaktissa vaikuttavat voimat lasketaan ja näiden perusteella muodostetaan globaalit voimat, jotka vaikutavat laivan liikkeisiin, sekä paikalliset jääkuormat.

Menetelmällä voidaan ennustaa laivan maksiminopeutta, jäävastusta ja jääkuormia erilaisissa jääolosuhteissa. Tulosten havaittiin olevan herkkiä suhteessa mallin empiiristen parametrien arvoille. Malli käyttäytyi epävakaasti joillakin parametrien arvojen yhdistelmillä.

Yleisesti ottaen ennustetut nopeudet, vastus ja kuormat olivat järkevällä tasolla.Tuloksissa oli kuitenkin huomattavaa hajontaa johtuen empiiristen parametrien arvojen valinnasta.