International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.3
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pp.385-392
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2018
This paper presents 2D numerical modeling to calculate ship-ice interactions that occur when an icebreaker advances into ice-covered water. The numerical model calculates repeated icebreaking of an ice plate and removal of small ice floes. The icebreaking of the ice plate is calculated using a ship-ice contact detection technique and fluid-structural interaction of ice plate bending behavior. The ship-ice interactions in small ice floes are calculated using a physically based modeling with 3DOF rigid body equations. The ice plate is broken in crushing, bending, and splitting mode. The ice floes drift by wind or current and by the force induced by the ship-ice interaction. The time history of ice force and ice floe distribution when an icebreaker advances into the ice-covered water are obtained numerically. Numerical results demonstrate that the time history of ice force and distribution of ice floes (ice channel width) depend on the ice floe size, ship motion and ice drifting by wind or current. It is shown that the numerical model of ship maneuvering in realistic ice conditions is necessary to obtain precise information about the ship in ice-covered water. The proposed numerical model can be useful to provide data of a ship operating in ice-covered water.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.11
no.1
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pp.59-69
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2019
This paper focuses on the numerical simulation of ice abrasion induced by unbreakable ice floe. Under the assumption that unbreakable floes behave as rigid body, the Discrete Element Method (DEM) was applied to simulate the interaction between a fixed structure and ice floes. DEM is a numerical technique which is eligible for computing the motion and effect of a large number of particles. In DEM simulation, individual ice floe was treated as single rigid element which interacts with each other following the given interaction rules. Interactions between the ice floes and structure were defined by soft contact and viscous Coulomb friction laws. To derive the details of the interactions in terms of interaction parameters, the Finite Element Method (FEM) was employed. An abrasion process between a structure and an ice floe was simulated by FEM, and the parameters in DEM such as contact stiffness, contact damping coefficient, etc. were calibrated based on the FEM result. Resultantly, contact length and contact path length, which are the most important factors in ice abrasion prediction, were calculated from both DEM and FEM and compared with each other. The results showed good correspondence between the two results, providing superior numerical efficiency of DEM.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.12
no.1
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pp.414-427
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2020
The finite element method is used to simulate the navigation of an ice-area bulk carrier in broken ice fields. The ice material is defined as elastic, and the simulations are accomplished at four model speeds and three ice concentrations. The movements of ice floes in the simulation are consistent with those in the model test, and the percentage deviation of the numerical ice resistance from the ice resistance in the model test can be controlled to be less than 15 %. The key characteristics of ice loads, including the average ice loads, extreme ice loads, and characteristic frequency, are analyzed thoroughly in a comprehensive manner. Moreover, the effects of sailing speed and ice concentration on the ice loads are analyzed. In particular, the stress distribution of ice floes is presented to help understand how model speed and concentration affect the ice loads. The "ice pressure" phenomenon is observed at 90 % ice concentration, and it is realistically reflected both in the time―and frequency―domain ice force curves.
Proceedings of the Korean Institute of Navigation and Port Research Conference
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2015.10a
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pp.37-39
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2015
The ships transiting the Northern Sea Route (NSR) have been gradually increased so that the number of ship-ice collision accidents would be increased. The collision between ship and ice floe can lead to serious damage of hulls and decline of ship's maneuverability. In this study, collision tests that a model ship is forced to collide with disk-shaped synthetic ice floes are conducted in a towing tank. The synthetic ice floes made of polypropylene which has similar density with real ice are used. The ice load is measured by a load cell installed on the carriage rod. The ice floe's motion is measured by a motion sensor installed on the synthetic ice floe. The influences of contact conditions such as hull form and ship speed on the ship-ice collision response are investigated and discussed by measured peak force and ice floe's motion.
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.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.1
no.1
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pp.87-92
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1989
In this study, the nonlinear dynamic model of the systems which include the offshore structure, the surrounding sea water in terms of the added mass, the foundation in terms of frequency independent springs, dashpots, and the floating ice feature with its hydrodynamic added mass, are proposed for the problem of the large ice floes impact. Dynamic Analysis is performed on two site conditions, sand site and silt site, and on two seasons, winter and summer, for various ice floe velocities. As a result of study, Ice floes from energy balenced method is lower than that from dynamic modeling on sand site, and higher than the on silt site.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.3
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pp.393-402
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2018
While interacting with a sloping structure, an ice floe may fracture in different patterns. For example, it can be local bending failure or global splitting failure depending on the contact properties, geometry and confinement of the ice floe. Modelling these different fracture patterns as a natural outcome of numerical simulations is rather challenging. This is mainly because the effects of crack propagation, crack branching, multi fracturing modes and eventual fragmentation within a solid material are still questions to be answered by the on-going research in the Computational Mechanic community. In order to simulate the fracturing of ice floes with arbitrary geometries and confinement; and also to simulate the fracturing events at such a large scale yet with sufficient efficiency, we propose a semi-analytical/empirical and semi-numerical approach; but with focus on the global splitting failure mode in this paper. The simulation method is validated against data we collected during the Oden Arctic Technology Research Cruise 2015 (OATRC2015). The data include: 1) camera images based on which we specify the exact geometry of ice floes before and after an impact and fracturing event; 2) IMU data based on which the global dynamic force encountered by the icebreaker is extracted for the impact event. It was found that this method presents reasonably accurate results and realistic fracturing patterns upon given ice floes.
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.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.45
no.5
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pp.562-568
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2008
In this study, the target FSICR class is 1A whose target thickness of the brash ice is 46 mm in model scale. Normally ice floes for brash ice do not exceed 2 m in full scale, so the model ice sheet was cut by about 10 cm by 10 cm using hand saws. Since the target thickness of brash ice is 46 mm, 46 mm ice sheet makes one layer brash ice. For 23 mm thickness ice sheet, two layers should be accumulated to reach 46mm brash ice thickness. For 15mm thickness ice sheet, three layers need to be accumulated as the same as those in 23 mm ice sheet. New methodology to produce a brash ice was proposed. The results showed that it would be important to use multi-layer rather than single layer possibly because of significant thrust deduction from the propeller-ice interaction in the present ice condition (FSICR 1A).
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.3
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pp.361-366
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2018
Ice crushing occurs in many situations that involve a sliding frictional component such as sports involving ice-contact, ice interaction with ship hulls, and ice-on-ice sliding/crushing within glaciers and between interacting sea ice floes. Ice crushing-friction tests were conducted in the lab at $-10^{\circ}C$ using a set of acrylic ice-crushing platens that included a flat smooth surface and a variety of high-roughness surfaces with regular arrays of small prominences. The experiments were part of Phase II tests of the Blade Runners technology for reducing ice-induced vibration. Ice was crushed against the platens where the ice movement had both a vertical and a horizontal component. High-speed imaging through the platens was used to observe the ice contact zone as it evolved during the tests. Vertical crushing rates were in the range 10-30 mm/s and the horizontal sliding rates were in the range 4.14-30 mm/s. Three types of freshwater ice were used. Friction coefficients were extraordinarily low and were proportional to the ratio of the tangential sliding rate and the normal crushing rate. For the rough surfaces all of the friction coefficient variation was determined by the fluid dynamics of a slurry that flowed through channels that developed between leeward-facing facets of the prominences and the moving ice. The slurry originated from a highly-lubricating self-generating squeeze film of ice particles and melt located between the encroaching intact ice and the surfaces.
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