International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.7
no.4
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pp.708-719
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2015
The two most important tasks of icebreakers are first to secure a sailing route by breaking the thick sea ice and second to sail efficiently herself for purposes of exploration and transportation in the polar seas. The resistance of icebreakers is a priority factor at the preliminary design stage; not only must their sailing efficiency be satisfied, but the design of the propulsion system will be directly affected. Therefore, the performance of icebreakers must be accurately calculated and evaluated through the use of model tests in an ice tank before construction starts. In this paper, a new procedure is developed, based on model tests, to estimate a ship's ice breaking resistance during continuous ice-breaking in ice. Some of the factors associated with crushing failures are systematically considered in order to correctly estimate her ice-breaking resistance. This study is intended to contribute to the improvement of the techniques for ice resistance prediction with ice breaking ships.
As commercialization of the Arctic sea route and resource developments are regularized, demands for ice-breaking tankers, LNG carriers, and offshore plants are expected to increase. In addition, the existing ice-breaking cargo ships navigating in the ice-covered waters are worn out. Hence, the construction of new ships is likely to be undertaken for both current and long-term applications. The design of ships navigating in ice-covered waters demands conservative methods and strict development standards owing to the extreme cold and collision tendencies with ice floes and/or icebergs. ISO 19906 recently stated that a fatigue limit should be defined when designing Arctic offshore structures such that the ice-induced fatigue becomes one of the important design drivers. Thus, establishing systematic measures to mitigate ice-induced fatigue problems in ice-breaking ships are important from the viewpoint of having a competitive advantage. In this paper, the issues relating to ice-induced fatigue problems, based on data and published literature, are examined to describe the criticality of ice-induced fatigue. Potential fatigue damage possibilities are investigated using data measured in the Arctic Ocean (2013) and using the Korean icebreaker, ARAON.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.58
no.3
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pp.175-181
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2021
This study describes the model tests in ice according to the frictional coefficient of an ice-breaking ship and the change in ice resistance by the analysis method for each component of ice resistances. The target vessel is a 90K DWT ice-breaking tanker capable of operating in ARC7 ice conditions in the Arctic Ocean, and twin POD propellers are fitted. The hull was specially painted with four different frictional coefficients on the same ship model. The total ice resistance can be separated by ice breaking, ice buoyancy, ice clearing resistances through the tests in level ice, pre-sawn ice and creep test in pre-sawn ice under sea ice thickness of 1.2 m and 1.7 m. Ice resistance was analyzed by correcting the thickness and bending strength of model ice by the ITTC correction method. As the frictional coefficient between the hull and ice increases, ice buoyancy and clearing resistances increase significantly. When the surface of the hull is rough, it is considered that the broken ice pieces do not slip easily to the side, resulting in an increase in ice buoyancy resistance. Also, the frictional coefficient was found to have a great influence on the ice clearing resistance as the ice thickness became thicker.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.9
no.6
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pp.613-623
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2017
A semi-empirical model to predict ship resistance in level ice based on Lindqvist's model is presented. This model assumes that contact between the ship and the ice is a case of symmetrical collision, and two contact cases are considered. Submersion force is calculated via Lindqvist's formula, and the crushing and breaking forces are determined by a concept of energy consideration during ship and ice impact. The effect of the contact coefficient is analyzed in the ice resistance prediction. To validate this model, the predicted results are compared with model test data of USCGC Healy and icebreaker Araon, and full-scale data of the icebreaker KV Svalbard. A relatively good agreement is achieved. As a result, the presented model is recommended for preliminary total resistance prediction in advance of the evaluation of the icebreaking performance of vessels.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.57
no.1
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pp.23-34
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2020
This paper covers the development of prediction techniques for ice load on ice-breakers operating in continuous ice-breaking under level ice conditions using particle-based continuum mechanics. Ice is assumed to be a linear elastic material until the fracture occurs. The maximum normal stress theory is used for the criterion of fracture. The location of the crack can be expressed using a local scalar function consisting of the gradient of the first principal stress and the corresponding eigen-vector. This expression is used to determine the relative position of particle pair to the new crack. The Hertz contact model is introduced to consider the collisions between ice fragments and the collisions between hull and ice fragments. In order to verify the developed technique, the simulation results for the three-point bending problems of ice-specimen and the continuous ice-breaking problem around a wedge-type model ship with bow angle of 20° are compared with the experimental results carrying out at Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering (KRISO).
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.11
no.2
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pp.796-808
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2019
In this paper, a Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method is extended to simulate the ice failure process and ice-ship interactions. The softening elastoplastic model integrating Drucker-Prager yield criterion is embedded into the SPH method to simulate the failure progress of ice. To verify the accuracy of the proposed SPH method, two benchmarks are presented, which include the elastic vibration of a cantilever beam and three-point bending failure of the ice beam. The good agreement between the obtained numerical results and experimental data indicates that the presented SPH method can give the reliable and accurate results for simulating the ice failure progress. On this basis, the extended SPH method is employed to simulate level ice interacting with sloping structure and three-dimensional ice-ship interaction in level ice, and the numerical data is validated through comparing with experimental results of a 1:20 scaled Araon icebreaker model. It is shown the proposed SPH model can satisfactorily predict the ice breaking process and ice breaking resistance on ships in ice-ship interaction.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.5
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pp.353-360
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2014
The model ice is created at KRISO (Korea Research Institute for Ships and Ocean Engineering) ice basin where model ship is tested to obtain the necessary data in order to design the ice breaking vessels and ocean structures operating in the northern pole sea area. Through the model ship test, ice breaking, clearing, ice-ship and ice-propeller interaction behavior can be obtained. Since mechanical properties of ice plate are required for the model test, some tests are performed to obtain the properties in this paper. First, ultrasonic devide is used to measure the thickness of the model ice plate and the results show the possibility of using ultrasonic method, yet more sophisticated device or special sensors are required to measure the ice thickness completely. And the defection of ice plate is measured using LVDT to compute the characteristic length of ice plate on the fluid, which is used to get the effective Young's modulus of model ice.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.55
no.6
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pp.497-504
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2018
Platform Support Vessels operated in the Arctic Ocean support diverse operations of offshore plant in the sea, and the PSV is also needed to support works to exploit the oil and gas in the Arctic Ocean. Both of the ice breaking and the open sea performance have been considered together to secure the enhanced operational performance at the harsh environment in the Arctic Ocean and the open sea as well. In this study, One of the design requirements of a PSV is to guarantee continuous icebreaking performance with 3 knots at 1 m thickness of level ice, where the design draft is 7.5m and the engine power is 13 MW. Three hull forms were designed, and the ice resistance based on empirical formulas was estimated to select the initial hull form having an outstanding performance. The full scale performance of the designed hull forms was predicted by the ice model test conducted in the ice model basin of Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering(KRISO). The analysed results show that the selected hull form satisfies the above design requirement.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.8
no.3
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pp.228-234
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2016
Recent icebreaking ships need to be designed to enhance not only icebreaking capability but also turning ability. For the evaluation of ice resistance induced by an icebreaking hull form, HHI (Hyundai Heavy Industries) has developed the hybrid empirical formulas (Park et al., 2015) by considering the geometrical hull shape features, such as waterline and underwater sections. However, the empirical formulas have inherent limits to the precise estimation of the icebreaking and turning ability because the breaking process and the resulting pattern are ignored. For this reason, numerical calculation in time domain is performed to predict the icebreaking process and pattern. In the simulation, varying crushing stress according to velocity vectors and contact areas between hull and ice is newly introduced. Moreover, the simulation results were verified by comparing them with the model test results for three different bow-first icebreaking models.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.40
no.9
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pp.847-851
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2016
Due to global warming it is estimated that the arctic ocean route will be avaliable and traffic will increase by approximately year 2030. However, most navigation in the arctic is based on the ice breaker captains'orders, there is no exact measurement of convoy speed and distance between ships. So, this research was conducted to find out the minimum safe separation distance and minimum breaking distance via ship controling simulations, and the results are as stated. For breaking distances, for ships that have a lead distance which is 2~4 times the width of the ship and traveling less than 7 knots, crash astern and crash astern & hard rudder showed no significant difference. But ships traveling at 10 knots there was a decrease in breaking distance of 1L, from 3.5L to 2.5L. By analyzing 10 subject ships by crash astern the breaking distance for 5 knots is 0.98L~1.8L, for 8 knots is 1.9L~4.0L. The minimum safe separation distance in narrow sea-ways is 6L, but as the arctic sea-way is only one-way 3L is required. As the result, it is found that in the arctic the safe escort speed is less than 5 knots, if the escort speed is 8knots or more and by using crash astern & hard rudder to break the safe distance should be kept at 3.4L.
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