基于規(guī)范的冰區(qū)船舶肩部結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)研究

張 健，陳 聰

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

近年來，隨著中高緯度海域油氣資源的開發(fā)與利用以及北極航道的開辟，船舶與海冰的碰撞問題越來越受到船舶與海洋工程領(lǐng)域的關(guān)注和重視。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)［1］，船舶與冰體的碰撞主要發(fā)生在船舶球鼻首區(qū)域及船舶肩部(首部向中部過渡區(qū)域)。船舶肩部線型往往變化較大，是船舶橫剖面從瘦削向豐滿過渡的區(qū)域，易與冰體發(fā)生碰撞，隨著船舶的前行，冰體侵入船體進(jìn)而劃割船體外板及舷側(cè)板架結(jié)構(gòu)。

《鋼制海船入級規(guī)范》(2006)第2 篇第4 章對航行冰區(qū)的加強(qiáng)提出了一些限制規(guī)定。根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)骨架形式的不同，相應(yīng)的冰帶外板厚度和船體各構(gòu)件的尺寸大小也有所不同。本文在規(guī)范的基礎(chǔ)上，對一油船進(jìn)行冰區(qū)船舶肩部結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，并利用有限元分析軟件LSDYNA 研究其船－冰碰撞性能，從抗冰耐撞性能角度指出肩部結(jié)構(gòu)采用橫向加強(qiáng)具有更強(qiáng)的優(yōu)越性，對于選擇冰區(qū)船舶結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案具有重要的指導(dǎo)價值。

1 冰級規(guī)范下肩部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)

1.1 船舶參數(shù)

本文以1 艘成品油船為例，該船貨艙區(qū)域?yàn)殡p底雙殼，單甲板，尾機(jī)型，單槳，單舵，球鼻型首，設(shè)12 個液貨艙，載貨量13 200 t，船體自身重量5 020 t，船舶的主要參數(shù)見表1。

1.2 冰級定義及劃分

目前，各主要船級社、相關(guān)國際組織關(guān)于冰區(qū)航行船舶結(jié)構(gòu)加強(qiáng)規(guī)范已較為完善。按其適用船舶的服務(wù)航區(qū)冰情、工作性質(zhì)、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等級的不同，基本可劃分為當(dāng)年冰冰區(qū)航行加強(qiáng)、多年冰冰區(qū)航行加強(qiáng)、破冰任務(wù)相關(guān)加強(qiáng)3 類。相應(yīng)的冰級定義則按船舶服務(wù)航區(qū)內(nèi)海冰冰齡、層冰厚度、強(qiáng)度的不同，大致可分為當(dāng)年冰(當(dāng)年冰齡，層冰厚度不超過1.2 m，海冰強(qiáng)度相對較低)與多年冰(2 年及2 年以上冰齡，層冰厚度最大可達(dá)3.0 m 以上，海冰強(qiáng)度高)兩大類［2］。

表1 油船的主要參數(shù)Tab.1 Dimension of oil tanker

CCS 按不同的冰況，將航行冰區(qū)的加強(qiáng)分為如下5 個冰級標(biāo)志［3］:B1*－最嚴(yán)重的冰況;B1 －嚴(yán)重的冰況;B2－中等的冰況;B3－輕度的冰況;B －除大塊固定冰以外的漂流浮冰，如中國沿海情況。

本文假設(shè)該油船的航行冰區(qū)為中等冰況，故應(yīng)按照B2 級冰級要求對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

1.3 冰帶區(qū)域的劃分

進(jìn)行冰區(qū)加強(qiáng)計(jì)算，首先要做好冰帶的劃分，冰帶即是需要結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的區(qū)域。冰帶可以分為冰帶首部區(qū)、冰帶中部區(qū)及冰帶尾部區(qū)3 個區(qū)域，如圖1 所示。

圖1 冰帶劃分示意圖Fig.1 The schematic diagram of ice belt division

由于本文研究的主要船冰碰撞區(qū)域?yàn)榇凹绮?，即船舶防撞艙壁之后的不到平行中體的船舶前側(cè)部。因此，需要確定船舶肩部所處的冰帶區(qū)域。由圖1可知，該區(qū)域?qū)儆诒鶐е胁繀^(qū)，所以該區(qū)域的船舶結(jié)構(gòu)加強(qiáng)需按照冰帶中部區(qū)的要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.4 設(shè)計(jì)載荷的確定

設(shè)計(jì)冰壓力可由下式來計(jì)算:

經(jīng)計(jì)算，p = 0.862 MPa。

1.5 外板加強(qiáng)的垂直范圍及板厚計(jì)算

外板的加強(qiáng)區(qū)域見上文冰帶劃分的范圍。原則上冰帶區(qū)域的外板都要加厚。這里我們只討論船舶肩部區(qū)域的板厚加厚，其他區(qū)域不做考慮。外板板厚的計(jì)算分為2 種:一種采用橫骨架式，一種采用縱骨架式［4］。冰帶外板的加強(qiáng)需根據(jù)肩部區(qū)域骨架形式的不同來設(shè)計(jì)。

橫骨架式冰帶區(qū)域的外板板厚由下式來確定:

縱骨架式冰帶區(qū)域的外板板厚由下式來確定:

經(jīng)計(jì)算，采用2 種骨架形式的外板板厚的計(jì)算結(jié)果分別為19 mm 和21 mm。

冰區(qū)加強(qiáng)外板的垂直范圍如表2 所示。

表2 冰帶外板的垂向延伸距離Tab.2 The vertical extension distance of shell plate in ice belt

由該船的完整穩(wěn)性計(jì)算書可近似算出船舶肩部區(qū)域的平均最大吃水和平均最小吃水分別為8.4 m 和3.2 m。因此，船舶肩部冰帶外板的垂向范圍為2.7 ～8.8 m。

1.6 外板骨材加強(qiáng)的垂直范圍及剖面模數(shù)計(jì)算

外板骨材加強(qiáng)垂直范圍在規(guī)范中的要求如表3 所示。

表3 B2 級冰區(qū)加強(qiáng)外板骨材的垂向延伸范圍Tab.3 The vertical extension distance of shell aggregate in B2 ice-strengthening

由表3 可確定船舶肩部區(qū)域外板骨材加強(qiáng)垂直范圍為1.6 ～9.4 m。外板骨材大小通過計(jì)算來確定。

第1 種方案采用橫向肋骨的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式，骨材的剖面模數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算:

第2 種方案采用舷側(cè)縱骨加強(qiáng)和增設(shè)冰帶舷側(cè)縱桁結(jié)構(gòu)形式，舷側(cè)縱骨的剖面模數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算:

位于冰帶內(nèi)的冰帶舷側(cè)縱桁的剖面模數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算:

船舶肩部外板骨材分別采用橫向肋骨加強(qiáng)形式和舷側(cè)縱骨加強(qiáng)形式及增設(shè)冰帶舷側(cè)縱桁所選用的構(gòu)件大小比較如表4 所示。

2 加強(qiáng)方式對船—冰碰撞的影響

2.1 冰體模型

文獻(xiàn)［5］根據(jù)挪威船級社(DNV)針對仿真計(jì)算所推薦的冰體形狀［6］，模擬了3 種形狀的冰體與船舶相撞，結(jié)果顯示棱角形冰體對船舶損傷最為嚴(yán)重，其次是平面形，圓弧形相對較輕。本文選取最危險(xiǎn)工況——船舶撞擊立方體冰體棱角，用于模擬碰撞區(qū)有棱角的冰體與船舶相撞。冰體模型材料參數(shù)參照文獻(xiàn)［7］，如表5 所示。簡化后的冰體模型以及撞擊位置詳如圖2 所示。

表5 冰體模型材料參數(shù)Tab.5 The material parameters of ice

圖2 冰體模型及撞擊位置Fig.2 Ice model and impact location

2.2 加強(qiáng)方式及碰撞方案

1)加強(qiáng)方式Ⅰ

肩部結(jié)構(gòu)按照規(guī)范進(jìn)行橫骨架式加強(qiáng);冰帶外板厚度為19 mm，舷側(cè)肋骨實(shí)取型材HP280×12，肋骨間距為0.8 m;外板加強(qiáng)的垂向范圍為2.7 ～8.8 m，肋骨加強(qiáng)的垂向范圍為1.6 ～9.4 m;肩部總質(zhì)量為669.2 t。

2)加強(qiáng)方式Ⅱ

肩部結(jié)構(gòu)按照規(guī)范進(jìn)行縱骨架式加強(qiáng);冰帶外板厚度為21 mm，舷側(cè)縱骨實(shí)取型材HP240×10，增設(shè)冰帶舷側(cè)縱桁，實(shí)取型材HP260×12，冰帶舷側(cè)縱桁距基線7.3 m;外板和舷側(cè)縱骨加強(qiáng)的垂向范圍與橫骨架式加強(qiáng)方式相同;肩部總質(zhì)量為678.0 t。

圖3 兩種加強(qiáng)方式的骨架形式Fig.3 The framing shapes of two reinforced form

圖3 顯示的是橫骨架式和縱骨架式2 種加強(qiáng)方式的肩部局部骨架形式和各構(gòu)件的示意圖。在保持船舶和冰體的運(yùn)動速度不變，撞擊位置、角度相同的前提下，分別將采取2 種方式加強(qiáng)后的油船肩部與冰體相撞，對應(yīng)地產(chǎn)生2 種碰撞方案。假設(shè)船舶在其長度方向的初速度為8 m/s，漂浮在水中的冰體在沿船舶航行方向的垂直方向上以2 m/s 的速度與船舶肩部發(fā)生撞擊，碰撞角度參照文獻(xiàn)［8］選取30°。這里的“碰撞角度”指的是正方體冰體上表面與基平面的夾角。

碰撞方案Ⅰ:肩部采取加強(qiáng)方式Ⅰ的油船撞擊正方體冰體的棱角;

碰撞方案Ⅱ:肩部采取加強(qiáng)方式Ⅱ的油船撞擊正方體冰體的棱角。

具體的碰撞示意圖如圖4 所示。

圖4 船—冰碰撞示意圖Fig.4 The sketch for the ship－ice collision

3 碰撞結(jié)果分析

3.1 碰撞損傷變形

圖5 為方案Ⅰ和方案Ⅱ在終點(diǎn)時刻(1.0 s)時油船肩部的損傷變形圖。從圖中可以看出，2 種方案下船體外板均發(fā)生了破裂，方案Ⅱ的面積比方案Ⅰ稍大，且方案Ⅱ橫隔板的破壞區(qū)域更大。

圖5 船體結(jié)構(gòu)損傷變形圖Fig.5 The damage deformation of hull structure

冰體在2 種方案下終點(diǎn)時刻(1.0 s)的損傷變形如圖6 所示。不難發(fā)現(xiàn)，冰體的破損主要集中在接觸區(qū)域的棱角和棱邊，部分冰體碎屑脫離主體飛射出來。對應(yīng)于方案Ⅰ，冰體的棱角和棱邊2/3 前的區(qū)域單元發(fā)生失效;對應(yīng)于方案Ⅱ，冰體棱角至棱邊1/3 區(qū)域破損面積較大，而棱邊1/3 往后的區(qū)域只有棱邊單元發(fā)生了破壞。由于缺少了橫向肋骨的支撐，冰體更易于侵入船體內(nèi)部，由起初的冰體的棱角與接觸區(qū)域相撞轉(zhuǎn)變?yōu)楸w棱邊與肩部結(jié)構(gòu)相切。相應(yīng)的方案Ⅱ的撞深也越大。

3.2 碰撞力

圖6 冰體損傷變形圖Fig.6 The damage deformation of iceberg

圖7 為2 種方案下碰撞力隨時間變化的歷程曲線。對應(yīng)于方案Ⅰ，外板在0.46 s 左右出現(xiàn)第1 次破裂，最大碰撞力1.14E+7 N;對應(yīng)于方案Ⅱ，在0.45 s 左右外板失效破裂，最大碰撞力為1.38E+7 N。碰撞力隨時間變化的歷程曲線在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱程度和各組成構(gòu)件的失效情況。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，縱骨架式加強(qiáng)方案的碰撞力峰值比橫骨架式加強(qiáng)方案的碰撞力峰值大，但橫骨架式加強(qiáng)方案的整體碰撞力水平比縱骨架式加強(qiáng)方案大。這說明對于外板及舷側(cè)縱骨等單一構(gòu)件來說，經(jīng)縱骨架式加強(qiáng)的構(gòu)件剛度更大，但對于整體結(jié)構(gòu)而言，橫骨架式加強(qiáng)后的船舶的耐撞性能更強(qiáng)，橫向構(gòu)件對船—冰碰撞的抵抗效果相比于縱向構(gòu)件更加明顯。

3.3 能量吸收

圖8 為2 種方案下船體結(jié)構(gòu)總吸能隨時間變化的歷程曲線。從圖中可看出:

1)方案Ⅰ和方案Ⅱ的結(jié)構(gòu)總吸能—時間歷程曲線的趨勢大致相同，都是先增長迅速后趨于平緩，方案Ⅰ的結(jié)構(gòu)吸能比方案Ⅱ更早趨于平緩。

2)在碰撞接觸的初始階段(0.1 s 以前)，2 種方案的吸能相差不大，且增長速度大致相同。

圖7 兩種方案下碰撞力－時間變化曲線Fig.7 The time history of the collision force of two schemes

3)隨著碰撞的進(jìn)一步進(jìn)行，方案Ⅰ的吸能要比方案Ⅱ增長快速，這是由于橫向構(gòu)件對船—冰碰撞的抵抗作用更加明顯，橫向肋骨在冰體的擠壓碰撞下較快發(fā)生變形失效，進(jìn)而吸能較多。

4)0.75 s 左右，方案Ⅱ結(jié)構(gòu)的總吸能反超方案Ⅰ。此時，方案Ⅰ中冰體的運(yùn)動方向已發(fā)生較大偏移，不再切割船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)，冰體與船舶結(jié)構(gòu)只有摩擦作用。而方案Ⅱ中船舶的耐撞性能不及方案Ⅰ，冰體與船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍有稍許的切割作用，故其能量增長更快。

圖8 結(jié)構(gòu)總吸能－時間歷程曲線Fig.8 The time history of total energy absorption

為了進(jìn)一步分析船舶肩部各構(gòu)件的吸能情況，表6 給出了2 種方案下碰撞區(qū)域各構(gòu)件的吸能匯總。不難看出，外板始終是舷側(cè)結(jié)構(gòu)最主要的吸能構(gòu)件，約占總吸能的50%左右。其次，橫隔板以及平臺板對于冰載荷的抵抗作用也較為突出。此外，方案Ⅱ中舷側(cè)縱骨的吸能比方案Ⅰ大，而方案Ⅰ中舷側(cè)肋骨吸能百分比高于方案Ⅱ中冰帶舷側(cè)縱桁吸能百分比。

表6 各構(gòu)件的吸能匯總Tab.6 Energy absorption capacity of structural components

4 結(jié) 語

通過上述分析，可得出以下結(jié)論:

1)外板是主要的吸能構(gòu)件，它的吸能約占總吸能的50%左右，其次是舷側(cè)強(qiáng)力支撐構(gòu)件，主要有橫隔板、平臺板、舷側(cè)肋骨、舷側(cè)縱骨等。

2)橫骨架式肩部結(jié)構(gòu)與冰體相撞后結(jié)構(gòu)的損傷變形更小，且在結(jié)構(gòu)總吸能大致相同的情況下，橫骨架式肩部結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量更小。從耐撞性能角度來說，橫骨架式肩部結(jié)構(gòu)優(yōu)于縱骨架式肩部結(jié)構(gòu)。

3)在提高船舶耐撞性時應(yīng)考慮對船舶肩部縱橫強(qiáng)構(gòu)件的加強(qiáng)，使碰撞沖擊載荷均勻地分配到各個構(gòu)件上，縮小外板、橫隔板與其他構(gòu)件的強(qiáng)度懸殊，有利于碰撞載荷在船體各個構(gòu)件間的傳遞，進(jìn)而從總體上提高船舶的耐撞性能。

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