基于ANSYS/LS-DYNA的船冰碰撞數(shù)值分析

楊金超， 朱發(fā)新， 吳文鋒， 盧金樹， 王帥軍， 楊朋朋， 張 敏

(1.浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 浙江 舟山316022； 2.舟山市敏瑞科技咨詢有限公司， 浙江 舟山316022)

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基于ANSYS/LS-DYNA的船冰碰撞數(shù)值分析

楊金超1， 朱發(fā)新1， 吳文鋒1， 盧金樹1， 王帥軍1， 楊朋朋1， 張 敏2

(1.浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 浙江 舟山316022； 2.舟山市敏瑞科技咨詢有限公司， 浙江 舟山316022)

在極地海域復(fù)雜環(huán)境下，船舶在長(zhǎng)距離航行中一旦與冰山或大冰塊發(fā)生碰撞，極短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊載荷，可能造成非常嚴(yán)重的海上事故等。運(yùn)用有限元分析法，借助有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)相關(guān)船舶球鼻艏與冰的碰撞情況進(jìn)行數(shù)值分析，得到船舶球鼻艏結(jié)構(gòu)的能量-時(shí)間關(guān)系曲線，以及碰撞力-時(shí)間關(guān)系曲線，并對(duì)各種碰撞參數(shù)所導(dǎo)致的結(jié)果進(jìn)行定性的分析和討論，得到不同初速度的船與冰碰撞以及不同噸位的船與冰碰撞對(duì)船舶球鼻艏破損情況的影響，對(duì)船冰碰撞領(lǐng)域的研究有一定的指導(dǎo)意義。

有限元分析；ANSYS/LS-DYNA；仿真；船冰碰撞

0 引言

隨著全球不斷變暖，人類對(duì)極地的開發(fā)也逐漸深入，在夏季極地航行已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，隨著航行船只的不斷增加，船舶與海冰碰撞的可能性也隨之增加。極地海域環(huán)境復(fù)雜，即使在夏季也有冰山或大冰塊。船舶在長(zhǎng)距離航行中，一旦與冰山或大冰塊發(fā)生碰撞，有可能造成非常嚴(yán)重的海上事故。

通過(guò)數(shù)值仿真法和基于能量的分析法，BROWN等[1]和DALEY等[2]研究了靜止船舶與一定速度的球形冰山的橫向碰撞問(wèn)題。在數(shù)值仿真法中，分別將冰山和船-冰接觸面簡(jiǎn)化成球形和圓形，船被處理成垂直舷側(cè)的情形。在能量分析法中，假定動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化成冰的破碎能，在這個(gè)過(guò)程中，由于船和冰都存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故在碰撞過(guò)程中存在著較大的能量損失等問(wèn)題與不足。

WANG等[3]基于Dytran軟件，對(duì)LNG船與可壓碎冰碰撞建模，進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)有限元分析，建立具有彈性和可塑性的LNG整船模型，同時(shí)建立一塊可壓碎并在一定條件下會(huì)發(fā)生材料失效的浮冰模型，由Dytran軟件模擬出船舶與冰塊碰撞發(fā)生的變形和失效形態(tài)以及接觸面上的接觸力。通過(guò)對(duì)LNG船的局部模型加載靜態(tài)冰載荷，研究并分析船體結(jié)構(gòu)的承載能力，但也存在船體結(jié)構(gòu)中的不同構(gòu)件有的會(huì)發(fā)生大塑性變形，有的會(huì)遭受失穩(wěn)破壞等問(wèn)題與不足[4-7]。

船舶與海冰碰撞是船冰結(jié)構(gòu)在極短時(shí)間內(nèi)受巨大沖擊載荷作用下的一種復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，存在著大量的非線性問(wèn)題，如接觸非線性和運(yùn)動(dòng)非線性等。這些特點(diǎn)使船冰碰撞問(wèn)題的研究變得相當(dāng)復(fù)雜和困難，需要綜合應(yīng)用船舶水動(dòng)力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)和結(jié)構(gòu)可靠性等方面的知識(shí)。如今，挪威、加拿大等國(guó)家對(duì)于船舶與海冰碰撞問(wèn)題的研究在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位，其研究方法大致分為4種：簡(jiǎn)化解析或經(jīng)驗(yàn)公式，模型試驗(yàn)，數(shù)值仿真，實(shí)船事故調(diào)查，其中，模型試驗(yàn)更為實(shí)用。因此，開發(fā)冰區(qū)安全航行軟件，要求該有限元軟件能預(yù)測(cè)冰的負(fù)荷，可以通過(guò)直接的方式評(píng)估船舶能否在該冰區(qū)安全航行。設(shè)計(jì)不同的船舶速度，不同的冰厚度，漂移角度，橫搖角度等碰撞模型，對(duì)各種情況下船殼的受力和變形情況進(jìn)行分析，了解船舶球鼻艏結(jié)構(gòu)在整個(gè)碰撞過(guò)程中受到的碰撞力、展現(xiàn)的吸能特性和損傷情況是很有必要的[8-12]。

1 ANSYS/LS-DYNA簡(jiǎn)介

有限元分析是使用有限元方法來(lái)分析靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的物理物體或物理系統(tǒng)。這種方法廣泛應(yīng)用于分析彈性力學(xué)碰撞等問(wèn)題。

ANSYS/LS-DYNA是一種高度非線性動(dòng)力學(xué)分析軟件，是一個(gè)以顯式為主、隱式為輔的通用非線性動(dòng)力分析有限元程序，對(duì)于各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成形等非線性問(wèn)題可以很好地求解。軟件以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法。

2 有限元模型建立

2.1 相似準(zhǔn)則

相似準(zhǔn)則是基于參考模型和縮減比例模型在幾何尺度方面保持相似, 且迎角相同，以及流場(chǎng)和碰撞過(guò)程中能量平衡也相似等作為指導(dǎo)船冰碰撞模擬試驗(yàn)時(shí)選取試驗(yàn)材料所需條件的理論依據(jù)。

2.2 邊界參數(shù)設(shè)置

在船冰碰撞完成后，撞擊的船舶船艏可能會(huì)發(fā)生較大的塑性變形。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，減少CPU的運(yùn)算時(shí)間，船舶單元以SHELL 163單元建模。該單元設(shè)為4節(jié)點(diǎn)的薄殼單元，同時(shí)具有彎曲和膜的特征，可以同時(shí)施加平面載荷和法向載荷。船的主要結(jié)構(gòu)為鋼板,在ANSYS/LS-DYNA中,選用的材料屬性為塑性動(dòng)態(tài)模型(Plastic Kinematic Model)，并考慮應(yīng)變率效應(yīng)(其參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1)。冰材料選用SOLID 164實(shí)體單元，該單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，只用于動(dòng)力顯式分析，支持所有的非線性特性。對(duì)于冰材料的參數(shù)設(shè)置，根據(jù)挪威科技大學(xué)LIU等、韓國(guó)LEE等、美國(guó)WANG等人的研究成果(見(jiàn)文獻(xiàn)[3-7])，參考相關(guān)論文定義冰體的材料模型(模型參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2)。

表1 塑性動(dòng)態(tài)材料模型的參數(shù)設(shè)置

表2 冰體材料模型的參數(shù)設(shè)置

2.3 船艏三維實(shí)體模型建立

船冰碰撞是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程。若要按照船舶的實(shí)際圖紙構(gòu)造搭建模型，不僅會(huì)導(dǎo)致工作量劇增，而且在使用有限元模型計(jì)算時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算規(guī)模超出計(jì)算機(jī)的內(nèi)外存限制，最終使得計(jì)算失敗。為了減輕工作量，并在滿足一定工程精度的前提下，對(duì)船舶采用附加質(zhì)量法。由于撞擊部位為船艏，建立模型過(guò)程中，對(duì)船艏部分重點(diǎn)建立模型，而對(duì)于其他船體部位選用附加質(zhì)量法。方法主要是通過(guò)補(bǔ)差值法(即船體總載重M1-船體模型M2)得到剩余船體的質(zhì)量，在有限元中賦予剩余部分合理的密度，將其附加上去。該模型采用4面體型、金字塔型、棱柱型劃分網(wǎng)格，選用SOLID95單元，劃分精度為3級(jí)。在船艏的有限元模型中，共有6 374個(gè)節(jié)點(diǎn)、73 418個(gè)有限單元。船艏的有限元模型如圖1所示。

圖1 船艏模型

2.4 冰材料模型建立

本文參考挪威船級(jí)社(DNV)針對(duì)仿真計(jì)算所推薦的冰山形狀，用立方體模擬冰山，正方體的側(cè)表面用以模擬碰撞區(qū)為平面的冰體。立方體的邊長(zhǎng)是20m，如圖2所示。

圖2 冰體模型

3 船冰碰撞數(shù)值仿真

3.1 邊界條件設(shè)定

在有限元方法中，網(wǎng)格的劃分精度直接影響著計(jì)算的準(zhǔn)確性，同時(shí)不均勻的網(wǎng)格劃分極易導(dǎo)致產(chǎn)生沙漏(沙漏模態(tài)是指單點(diǎn)積分單元容易產(chǎn)生的零能模式，它是一種比結(jié)構(gòu)全局響應(yīng)高得多的頻率振蕩零能變形模式)。

通常來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格劃分越細(xì)越密越小、節(jié)點(diǎn)越多、精度越高，計(jì)算的結(jié)果往往越接近于真實(shí)情況，但這樣的網(wǎng)格劃分會(huì)使計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間大幅延長(zhǎng)。為了得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，需要綜合考慮網(wǎng)格劃分的精度以及計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間。

對(duì)于球鼻艏直接參與碰撞的船體模型，球鼻艏部分網(wǎng)格需要?jiǎng)澐置芗?，其次是船頭部分，而對(duì)于直接不參與碰撞的附加船體部分網(wǎng)格劃分較粗。對(duì)于冰的網(wǎng)格劃分，根據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間選用合適的網(wǎng)格大小進(jìn)行劃分，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

3.2 數(shù)值仿真方案設(shè)計(jì)

在研究船舶的初速度對(duì)船冰碰撞結(jié)果的影響中，分別模擬同一噸位的船以不同速度以及不同噸位的船以同一速度進(jìn)行碰撞的情況。在分析同一噸位的船以不同速度碰撞時(shí)模擬載重50 000t船舶分別以4m/s，6m/s和8m/s等3種速度與靜止于水面的冰體相撞；然后根據(jù)船舶球鼻艏的損傷情況，分析船舶速度對(duì)船冰碰撞結(jié)果的影響。在分析不同噸位的船以同一速度碰撞時(shí)，分別模擬載重23 000t和載重50 000t船舶以8m/s初速度與靜止于水面的冰體撞擊；然后根據(jù)船舶球鼻艏的損傷情況，分析船舶噸位對(duì)船冰碰撞的結(jié)果。 如表3所示。

表3 船冰碰撞情景的設(shè)定

3.3 數(shù)值仿真結(jié)果分析

3.3.1 不同初速度船冰碰撞的影響

分別對(duì)表3中的4種情況進(jìn)行模擬，保持其他求解條件均不變，當(dāng)碰撞角度為90°時(shí)，載重50 000 t船舶在3種速度下碰撞力情況如圖4所示。

圖4 模型1、模型2和模型3不同速度下碰撞力變化

從圖4中可知：50 000 t船舶分別以4 m/s，6 m/s和8 m/s的速度與冰體發(fā)生碰撞，船舶受到的碰撞力隨著速度的增加而增大。由此可見(jiàn)當(dāng)船舶噸位相同時(shí)，船舶以較大速度碰撞時(shí)所產(chǎn)生的碰撞力更大，并且隨著速度的增加，碰撞力的變化幅度也越大。

表4是50 000 t船舶分別在碰撞速度為 4 m/s，6 m/s 和8 m/s 時(shí)，船體動(dòng)能的變化情況。

表4 模型1、模型2和模型3不同速度時(shí)的動(dòng)能變化

從表4中可以發(fā)現(xiàn)，動(dòng)能的變化量隨著速度的增大而增大。此時(shí)動(dòng)能主要損失的形式為冰體的動(dòng)能、船體的變形能、冰體破碎消耗的能量以及少量的摩擦能和沙漏能等。由于本文模擬的是船舶與冰山發(fā)生碰撞，且主要研究船舶球鼻艏碰撞的損傷情況，所以冰體的動(dòng)能和破碎能可以忽略，主要分析船艏能量變化情況。圖5是不同速度碰撞下，船舶(模型1、模型2、模型3，下同)內(nèi)能的變化情況，從圖5中可以明顯看出，在高速相撞條件下，船體所損失的動(dòng)能基本上轉(zhuǎn)化為船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的塑性變形能，并且隨著碰撞時(shí)間的變長(zhǎng)所轉(zhuǎn)化的船舶內(nèi)能越多，船舶球鼻艏變形量越大。所以速度越大，船舶球鼻艏碰撞損傷越嚴(yán)重。

圖5 模型1、模型2和模型3不同速度下能量隨時(shí)間的變化

3.3.2 不同噸位船冰碰撞的影響

載重50 000 t(模型3)船舶和載重23 000 t(模型4)船舶以8 m/s的速度撞擊冰體所得到的碰撞力與時(shí)間的變化曲線，以及能量與時(shí)間的變化曲線分別如圖6和圖7所示。

圖6 模型3和模型4碰撞力與時(shí)間變化曲線

圖7 模型3和模型4能量與時(shí)間變化曲線

圖7為50 000 t船舶與23 000 t船舶的能量變化情況，船舶噸位越大船舶動(dòng)能越大，與冰發(fā)生碰撞后船舶的變形能越多。所以在相同的速度下，大噸位船與冰山發(fā)生碰撞損傷程度比小噸位船要嚴(yán)重。

4 結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果，由于船舶與冰體之間的相互作用力成線性正相關(guān)，船速越大時(shí),兩者之間作用力越大，船頭所受到的擠壓力也越大，因此為了更好地研

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究與分析碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)(損傷變形、碰撞力以及能量吸收等)，使計(jì)算結(jié)果特征更為明顯，數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)應(yīng)選擇以中速、高速碰撞為主。在其船舶與冰發(fā)生碰撞過(guò)程中，船舶噸位越大動(dòng)能轉(zhuǎn)化的船舶變形能越多，因此為了更好地研究與分析碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)，船舶噸位的選取在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)較大較好。

上述的研究和模擬仿真都是在理想的條件下進(jìn)行的，在研究過(guò)程中，對(duì)于速度方面沒(méi)有考慮到行進(jìn)過(guò)程中的風(fēng)流影響，只假定為理想條件；同時(shí)還采用了附加質(zhì)量的方式以降低運(yùn)算復(fù)雜度和節(jié)省CPU計(jì)算時(shí)間，這些都是以后研究過(guò)程中需要完善和改進(jìn)的地方。

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Numerical Analysis on Ship-Ice Collision Based on ANSYS/LS-DYNA

YANG Jinchao1, ZHU Faxin1, WU Wenfeng1, LU Jinshu1, WANG Shuaijun1, YANG Pengpeng1, ZHANG Min2

(1.School of Port and Transportation Engineering， Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, Zhejiang, China; 2.Zhoushan Min-Rui Technology Consulting Co., Ltd., Zhoushan 316022, Zhejiang, China)

Concerning on the issues that once collisions happen between the ships and icebergs or ice cakes in a complicated environment of the polar maritime space in a long-distance navigation, it will be likely to cause very serious fortuitous accidents under the impact stress in a short time. According to the explicit finite element method, the situation about the collisions between bulbous bow and the ice is simulated and analyzed. Energy-time curve and colliding force-time curve of ship bulbous bow structure are obtained. The outcomes resulting from various impact parameters are analyzed and discussed. Influence upon the collisions occurring the ice and different initial velocity of ships as well as the ships with different tonnages is obtained. It is of certain directive significance for studying the field of ship-ice collision.

finite element analysis(FEA); ANSYS/LS-DYNA; simulation; ship-ice collision

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ14E090001,LQ16E090003,LY16E090003)；浙江海洋大學(xué)核心課程建設(shè)項(xiàng)目(X14H046)；2016年浙江省育苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(YMJH201619)

楊金超(1987-)，男，本科，研究方向?yàn)榇鞍踩c污染控制

1000-3878(2017)03-0030-04

U661

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