2021 Fiscal Year Research-status Report

Experimental study on the wave-ice-structure interaction for ice-going ship

Research Project

Project/Area Number	20K04938
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	澤村淳司大阪大学, 工学研究科, 准教授 (90359670)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	尾関俊浩北海道教育大学, 教育学部, 教授 (20301947) 木岡信治国立研究開発法人土木研究所, 土木研究所(寒地土木研究所), 主任研究員 (20414154)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	氷海船舶 / 氷荷重 / 波浪 / 氷海実験 / 海氷微視構造
Outline of Annual Research Achievements	本研究のR3年度の研究実施計画は，１）氷板破壊を考えない波浪中氷荷重の実験的解明（R2年度からの継続），２）氷板破壊を考えた模擬氷の開発（R3年度実施），３）氷破壊を考えた波浪中氷荷重の実験的研究（R3からR4年度実施），４）実氷海データとの比較による実験データの結果の検証であった．各研究の実績は以下となった．１）氷板破壊を考えない波浪中氷荷重の実験的解明： R3年度は，波浪－氷板の相互影響の詳細を明らかにするため，R2年度に取得した実験データを用い，氷板の大きさと氷板の水平方向速度を追加の解析項目とし，波浪中にある氷板運動の解析を行った．さらに，水槽内に垂直構造物を設置し，波浪中の氷板運動の計測実験を実施し，波浪－氷板―構造物の相互影響を調べた．これにより，定常波中にある構造物周辺の氷板の運動の詳細を明らかにした．２）氷板破壊を考えた模擬氷の開発：MRI（磁気共鳴映像法）を用いて取得した3次元の海氷微視構造データから，氷板の強度解析のためのFEM（有限要素法）数値解析モデルを作成した．また，R2年度からの継続実験（氷板曲げ破壊実験）を実施し，氷板の曲げ強度データの追加を行った．海氷微視構造の有限要素モデルは，氷板の微視構造と氷板曲げ強度の関係解明のための数値計算に使用され，氷板破壊を考えた模擬氷の開発（氷強度のスケール問題）に利用される．３）氷破壊を考えた波浪中氷荷重の実験的研究：氷破壊を考えた波浪中での船体氷荷重計測のための2D模型船を作成した．４）実氷海データとの比較による実験データの結果の検証：実氷海データと模型船実験による氷荷重データ間（スケール問題）の補完データを取得するため，中規模の海氷（塩分氷）の衝突実験を実施した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 本研究の実施計画は，１）氷板破壊を考えない波浪中氷荷重の実験的解明（1年目），２）氷板破壊を考えた模擬氷の開発（0.5－2.0年目），３）氷板破壊を考えた波浪中氷荷重の実験的解明（1.5－2.5年目），４）実海データとの比較による実験結果の検証（2－3年目）である，１）氷板破壊を考えない波浪中氷荷重の実験的解明では，常波の波高と波長，氷板の厚さと長さ，船の船首傾斜角と速度をパラメタとした模型船実験を実施し，氷板の運動と船に作用する氷荷重を計測し，波浪条件と氷板運動および氷荷重の関係を解析し，氷荷重の発生原因を特定する事であったが，R3年度は，船首周りの氷板運動を想定した，水槽に固定された垂直構造物近傍の氷板運動の計測による，浪－氷板―構造物の相互影響の解明にとどまっており，当初の計画より遅れている．これは，R2年度に引き続き，R3年度においても，予定していた模型船実験が急遽中止になったことが理由である．２）氷板破壊を考えた模擬氷の開発においては，氷板の曲げ試験を追加実施し，海氷強度データの充実を行い，さらに，塩分氷のスケール問題（実験スケールと実海スケールの強度の違い）を数値計算により解明するため，微視構造有限要素モデルを作成した．しかし，模型船実験に使用するための模擬氷の開発には至っておらず，当初の計画よりやや遅れている．３）氷板破壊を考えた波浪中氷荷重の実験的解明においては，実験に使用する模型船の作成は終わっており，模擬氷の開発が終了次第，実施可能であり，おおむね当初予定の進捗である．４）実海データとの比較による実験結果の検証においては，実海データ（波浪中にある流氷板の固定構造物への衝突）の取得と，実氷海スケールと模型船スケールの補完データとなる，中規模での構造物に作用する海氷衝突荷重の計測が終わっており，当初予定の進捗である．
Strategy for Future Research Activity	波浪－氷板－船体の相互影響下における氷荷重の発生原因を，模擬氷を用いた模型船実験により解明する本研究は４つの研究課題に細分し実施する（カッコ内は当初計画の年度）．R3年度以降は各研究項目に対して以下のように実施する．１）氷板破壊を考えない波浪中氷荷重の実験的解明（1年目）：R2とR3年度の実験結果を用い，模型船実験を実施し，波浪中の氷板の運動と船に作用する氷荷重を計測する．２）氷板破壊を考えた模擬氷の開発（0.5－2.0年目）： R2年度とR3年度の氷板曲げ破壊の実験結果を加味した，海氷の曲げ破壊を模擬した模擬氷を作成する．３）氷板破壊を考えた波浪中氷荷重の実験的解明（1.5－2.5年目）：破壊を伴う模擬氷を作成したのち，試験水槽にて波浪中の海氷板運動と海氷板の変形，割れの計測実験（波浪－氷板の相互影響の解明実験）と破壊を伴う模擬氷を用いた模型船実験（波浪－氷板－船体の相互影響の解明実験）を実施し，氷破壊と氷荷重の関係（氷破壊が氷荷重に及ぼす影響）を明らかにする．４）実海データとの比較による実験結果の検証（2－3年目）：中規模衝突実験の追加実験を実施し，実氷海域データおよび模型船実験データとの比較を行い，実験と実氷海データの定量的な関係を明らかする．
Causes of Carryover	R3年度は，R2年度に続いて当初使用を予定していた試験水槽の使用が急遽中止となった．R2とR3年度に予定していた模型船試験のための予算が使用できず次年度使用額が生じた．また，破壊を伴う模擬氷の開発の進捗も遅れており，これらの予算も使用できていない．R4年度は，まず，R3年度において未実施となった模型船試験とR3年度の未達成となっている氷板破壊を考えた模擬氷の開発のために予算を使用する．そして，R4年度の実施計画にある，実験と実氷海データの定量的な関係を把握するための，曲げ試験，衝突実験および数値計算技術の利用のために予算を使用する．