半潜式船舶在冰区航行时的局部冰压：高压区分布的影响分析

本研究通过实验室冰载荷实验结合触觉传感器，揭示了半潜式平台立柱与海冰相互作用时高压力区（HPZ）的时空分布规律。实验表明HPZ多集中于冰厚中心0.34倍位置，且在峰值全球冰力时呈现单双点集中分布特征。基于HPZ分布特性建立的局部冰压估算方法，经有限元仿真验证显示：忽略HPZ效应会导致最大 von Mises 应力低估达130%，同时HPZ位置变化可引起近一个数量级结构响应差异，为极地半潜式平台结构优化设计提供了关键理论支撑。

　　

王国军|吴宽宽|胡坤坤|徐颖|马思聪|张大勇

大连理工大学化学工程、海洋与生命科学学院，盘锦124221，中国

摘要

在冰 crushing 失效过程中，压力分布不均匀是一个显著现象。高压区（HPZs）的特性对半潜式平台柱的抗冰设计至关重要。通过实验室规模的实验，使用触觉传感器捕获了局部冰压数据，阐明了冰层与垂直结构相互作用时的压力分布模式。本研究探讨了局部极端冰压与全局峰值冰力之间的关系，以及在全球冰力峰值时刻 HPZs 的空间特征。实验结果表明，在不同的冰速下，极端局部冰压与全局峰值冰力时刻重合；然而，它们发生的频率在高速和低速情况下有显著差异。对应于全局峰值冰力的 HPZs 主要出现在距中心轴线约 0.34 倍冰厚处。在近 90% 的测试案例中，仅在全局冰力峰值时刻观察到一个或两个 HPZs。基于这些实验见解，提出了一种估算极端局部冰压的方法。该框架结合实验得出的 HPZ 分布特征，用于对承受冰荷载的半潜式平台柱进行有限元模拟。比较分析了考虑和不考虑 HPZ 效应时的结构响应，强调了其重要性。值得注意的是，忽略 HPZs 会导致最大 von Mises 应力低估多达 130%。此外，HPZ 位置的变化会导致结构响应相差近一个数量级。这些发现强调了将局部冰压效应及其分布模式纳入北极半潜式平台抗冰性能评估的必要性。

引言

北极地区富含石油和天然气资源，全球对适用于北极条件的勘探设备的需求不断增长。然而，适合北极海上石油和天然气勘探的平台仍然有限。半潜式平台因其出色的流体动力性能而日益成为极地石油和天然气开发的首选[1]。在冰覆盖区域，半潜式平台的主要设计通常是多柱式和圆柱形。对于多柱式半潜式平台，水线结构通常由垂直加固板组成。在海冰与这些垂直结构相互作用时，可能会发生异步损伤[2]。冰与结构之间的接触界面通常表现出不均匀的压力分布，其特征是明显的高压区（HPZs）和低压区（LPZs）[3]。结构上的冰荷载主要通过 HPZs 传递[4]。了解半潜式平台柱上这些局部 HPZs 的特性对于确保在极地环境中的有效运行至关重要。

在海冰与垂直结构相互作用过程中，大部分施加的荷载通过分布在相互作用区域内的 HPZs 传递到结构上。这些 HPZs 对结构的总荷载有显著贡献，局部冰压的大小与名义接触面积直接相关。接触面积越小，冰压越高[5,6]。通过分析大量的现场测量数据，Masterson 等人[7] 提出了一种预测冰压-面积关系的模型。基于日本海洋工业协会项目的冰模型实验数据，Frederking[8] 分析了冰压分布的详细信息，发现局部压力趋势与全局压力波动一致。全尺寸实验和实验室测试的观察表明，随着接触面积的增加，局部冰压减小；然而，确定最大局部冰压的位置仍然是一个具有挑战性的任务[[6], [7], [8], [9]]。在浮冰的持续压缩下，冰荷载的 HPZs 通常随时间和空间演变而呈现随机性。为了解决由于非同时失效导致的冰压分布不均匀问题，Jordaan[10] 提出大多数冰力来源于 HPZs，并建立了全局冰力与接触面积之间的关系。这些 HPZs 主要是由断裂过程引起的局部接触造成的；HPZ 中心附近高度受限的冰允许压力集中传递到结构上。

由于海冰与结构相互作用时的挤压和破碎特性，较高的压力区倾向于集中在冰厚度的中心附近，而靠近冰自由表面的局部压力较低。随着冰厚度的增加，压力分布变得更加分散，通常在冰厚度中心附近呈现“线状”荷载分布[[10], [11], [12]]。Dempsey 等人[11]观察到 HPZs 主要分布在冰厚度的中央三分之一范围内（当冰厚度<0.6 m时），而 ISO 19906[13]建议局部冰压集中在距中心线 0.4 倍冰厚度范围内，最大值达到名义局部冰压的 2.5 倍。基于理论分析和实验数据，Taylor 和 Jordaan[14]发现 HPZ 的宽度在冰厚度的 0.1 倍范围内。

不同研究结果中局部冰压的分布范围存在差异，其分布与冰层的断裂特性密切相关。冰速是影响冰层断裂的关键因素。在较低的冰速下，冰层表现出更大的断裂韧性[15]。基于小规模压痕测试，O’Rourke 等人[16]研究了在不同结构刚度和加载速度下 HPZs 的形成过程，进一步揭示了 HPZ 形成与冰断裂微观特性之间的关系。

极地导航船舶的现场测量数据揭示了冰 crushing 过程中局部冰压分布的不均匀性[[17], [18], [19], [20]]。然而，现场测量往往缺乏分析单个 HPZ 的空间和时间演变所需的分辨率。触觉压力传感器提供了更详细的数据，用于研究 HPZ 特性，并被学者广泛用于模型实验中探索局部冰压的分布模式[[21], [22], [23], [24]]。这些传感器数据突出了冰与结构相互作用过程中局部冰压分布的复杂性[25,26]。

在研究在易结冰区域运行的半潜式平台时，学者们利用数值和实验方法探索了这些平台在全球冰力作用下的系泊能力及其对海冰的运动响应[[27], [28], [29], [30]]。陈等人开发了一种数值方法来分析碎冰与浮动结构系泊系统的碰撞，研究了平冰影响下系泊系统张力的变化[31]。马等人引入了一种使用加速度传感器自动识别船舶-冰接触的方法，为航行中的船舶识别冰况提供了新方法[32]。然而，关于局部冰压对平台影响的研究仍然有限。局部冰压的分布特性及其与全局冰力的关系继续对冰区结构构成重大挑战，对于优化结构设计至关重要。在结构设计中，作用在指定区域（无论是局部还是全局）的最大荷载是设计师的主要关注点。高压区（HPZs）的分布直接影响半潜式平台结构的局部强度设计，因此 HPZs 的行为至关重要。了解冰破坏过程的复杂性、HPZ 动力学及其相关力学提供了有价值的见解，可以用于指导设计荷载估算。尽管如此，目前关于局部冰压分布的研究尚不足以充分支持半潜式平台结构的局部强度和抗冰性能分析。

本研究重点关注全球冰力峰值时刻局部冰压的分布特征，旨在使用实验室规模的实验来探索 HPZs 与全局冰力之间的关系。在这些研究中，使用触觉传感器测量局部冰压。通过建立 HPZs 的分布模式，分析了半潜式平台柱的局部抗冰性能。通过在 ANSYS 中进行的数值分析，比较了考虑和不考虑 HPZs 时的结构响应。随后揭示了 HPZ 分布对平台柱的影响。

实验方法

本文描述的实验是在大连理工大学的冰荷载测试平台上进行的。实验设置的详细设计（图 1）在 Wang 等人的工作中有全面描述[33]。实验包括使用执行器将 1 米 × 1.75 米的冰层推压到垂直刚性结构上。整个直立装置固定在地面上，因此认为垂直结构是刚性的。一个 320 毫米 ×

破坏过程

图 2 展示了冰板破坏过程以及实验中获得的相应局部冰压数据。分析了两种不同的冰破坏情景：低冰加载速度（VLoad = 1 毫米/秒）和高冰加载速度（VLoad = 15 毫米/秒）。对加载过程中的冰板破坏过程的分析显示：

在低加载速度（VLoad = 1 毫米/秒）下，加载阶段只有少量冰块被挤出。然而，在卸载时，压碎的冰

有限元模型

半潜式平台的柱子是受到海冰影响的主要区域。利用深水半潜式平台的基本参数（参见表 2 的平台规格），本研究重点关注平台柱的局部区域。进行了比较分析，以评估柱子在全局和局部冰压力下的响应。

选择高度为 5 米的柱子，包括水面以上 2 米和水面以下 3 米的部分，

讨论

半潜式平台的壳体结构中通常使用钢板和加强筋的组合，有效满足了结构安全和经济效益的要求。当冰与结构相互作用时，破坏通常是非同时发生的[35,36]。随着接触面积的增加，有效冰压减小。来自冰压盒的现场测量数据也显示有效冰压与接触面积之间存在密切关系。

结论

本研究在实验室规模上进行了水平冰与垂直结构相互作用的实验，以研究冰 crushing 失效过程中高压区（HPZs）的分布特性。将冰层推压到刚性垂直结构上，并使用触觉传感器收集局部冰压数据。重点分析了 HPZs 的时间特性、位置、数量和局部极端冰压。基于分布

CRediT 作者贡献声明

王国军：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，资源获取，方法论，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。吴宽宽：撰写 – 原始草稿，正式分析，数据管理。胡坤坤：软件，数据管理。徐颖：软件，正式分析。马思聪：软件，数据管理。张大勇：验证，监督，资金获取，概念化。

利益冲突声明

本手稿的提交不存在利益冲突，所有作者均批准其发表。我代表我的合作者声明，所描述的工作是原创研究，尚未在其他地方发表，也没有被考虑发表。所有列出的作者均已批准附上的手稿。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（授权号 2023YFC2809104）、国家自然科学基金（授权号 52071055）和辽宁省自然科学基金联合基金（授权号 DUT24BS031）的支持。对这些支持表示衷心的感谢。