船舶抗冰碰撞舷側(cè)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案及優(yōu)化設(shè)計(jì)

張淼溶，王祥康，張 健，張熠飛

(1. 泰州學(xué)院 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船舶抗冰碰撞舷側(cè)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案及優(yōu)化設(shè)計(jì)

張淼溶1，王祥康1，張 健2，張熠飛1

(1. 泰州學(xué)院 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

本文介紹了船-冰碰撞數(shù)值仿真中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，以船舶肩部舷側(cè)區(qū)域與棱角冰發(fā)生碰撞作為計(jì)算工況，對(duì)所選船舶舷側(cè)與冰體碰撞進(jìn)行數(shù)值仿真，根據(jù)舷側(cè)響應(yīng)特征指出其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的必要性。由此提出幾種舷側(cè)常規(guī)加強(qiáng)方案，通過(guò)分析各自與冰體接觸區(qū)域船體外板上受到的平均應(yīng)力以及碰撞過(guò)程中船體結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性破壞的程度，指出結(jié)構(gòu)仍然存在的問(wèn)題以及后續(xù)加強(qiáng)的方向。最后，設(shè)計(jì)了 2 種新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)證了其具有較優(yōu)的抗冰碰撞性能，得到了抗冰碰撞舷側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)結(jié)論。

船-冰碰撞；冰體模型；結(jié)構(gòu)加強(qiáng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

由于近年來(lái)全球氣候變暖，北極冰川融解加劇，北方航線越發(fā)具備在夏季通行商船的能力。然而，散落于海上的冰山及浮冰碎片大量增加，船只與包括冰山在內(nèi)的浮冰碰撞事故屢有發(fā)生，往往造成船體損壞，并引起油氣泄露和環(huán)境污染，乃至釀成重大人員傷亡。船舶肩部是指船首向平行中體過(guò)渡區(qū)域，各肋位半寬值逐漸增大，其橫剖面從瘦削向豐滿過(guò)渡。帶棱角的冰體一旦與該區(qū)域舷側(cè)接觸，伴隨船舶的行進(jìn)，極易侵入船體進(jìn)而劃割船體外板及舷側(cè)板架結(jié)構(gòu)。相比于船首與冰體碰撞，船舶肩部與冰體碰撞具有易造成破壞且危害較大的特點(diǎn)，因此，研究抗冰碰撞舷側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用價(jià)值。本文以棱角冰與船舶肩部的碰撞作為計(jì)算工況，以船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，基于所選船舶舷側(cè)與冰體碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征設(shè)計(jì)常規(guī)及新型舷側(cè)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果比較各舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性能的優(yōu)劣，提出可行的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案及優(yōu)化建議，希望可以給相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員以及科研工作者提供參考。

1 碰撞仿真技術(shù)

1.1 材料模型

為了真實(shí)地反映碰撞過(guò)程中的船體材料特性，在參考相關(guān)文獻(xiàn)[1- 4]的基礎(chǔ)上，本文采用塑性動(dòng)態(tài)模型，船體鋼的材料參數(shù)如表1所示。設(shè)定塑性失效應(yīng)變?yōu)?.2，即船體單元產(chǎn)生的塑性應(yīng)變一旦達(dá)到上述值，該單元破裂，不能再承受外力。冰體材料模型一直是國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者的研究熱點(diǎn)，但目前尚未建立成熟的本構(gòu)關(guān)系，依據(jù)已掌握的冰體材料統(tǒng)計(jì)、測(cè)量及仿真數(shù)據(jù)[5-8]，本文采用各向同性彈性斷裂模型，冰體的材料參數(shù)如表2所示。

表 1 船體鋼的塑性動(dòng)態(tài)材料參數(shù)Tab. 1 Parameter setting of MAT_PLASTIC_KINEMATIC for steel

表 2 冰體的各向同性彈性斷裂材料參數(shù)Tab. 2 Parameter setting of MAT_ISOTROPIC_ELASTIC_FAILURE for ice

1.2 有限元模型處理

算例中，船舶重量15 000 t，型深15.2 m，設(shè)計(jì)吃水12 m，型寬28 m。本文主要考慮船舶肩部舷側(cè)與棱角冰碰撞，將船舶肩部舷側(cè)有限元網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，控制網(wǎng)格大小不超過(guò)200 mm×200 mm，船舶肩部以后部分簡(jiǎn)化為剛體，通過(guò)關(guān)鍵字*PART_INERTIA控制其重量和重心。棱角冰幾何形狀為長(zhǎng)方體，邊長(zhǎng)6 m×6 m×8 m，冰體采用solid單元，網(wǎng)格大小為100 mm×100 mm×100 mm。所選船舶與棱角冰的接觸采用侵蝕接觸。

2 船舶舷側(cè)與冰體碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)

2.1 計(jì)算工況

建立如下坐標(biāo)系：x軸方向?yàn)榇瑢挿较?，y軸方向?yàn)榇L(zhǎng)方向，z軸方向?yàn)槌运较?。為了?duì)船舶航行過(guò)程中其肩部舷側(cè)區(qū)域與棱角冰發(fā)生碰撞進(jìn)行模擬，仿真中，船舶處于自由狀態(tài)，以6 m/s的初速度沿與y軸呈10°夾角向冰體靠近，棱角冰位于所選船舶肩部舷側(cè)區(qū)域以外，其長(zhǎng)邊與y軸方向平行，2 條短邊與x，z軸成一定夾角，與船舶肩部最接近的長(zhǎng)棱邊的高度為10.5 m。對(duì)冰體與y軸平行且背離船舶肩部的 2個(gè)表面施加全約束，所選船舶部分模型與冰體模型的相對(duì)位置如圖1所示。

2.2 數(shù)值結(jié)果及分析

本文采用與冰體接觸區(qū)域船體外板上受到的平均應(yīng)力以及碰撞過(guò)程中船體結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性破壞的程度作為指標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)是否需要加強(qiáng)以及加強(qiáng)方案的優(yōu)劣性。船舶肩部位于Fr148～Fr166之間，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，選取船長(zhǎng)方向在Fr153～Fr164之間吃水方向在平臺(tái)板至以上第 4 根肋骨之間的外板作為接觸區(qū)域，如圖2黑色區(qū)域。需要說(shuō)明的是，船冰碰撞過(guò)程中，上述接觸區(qū)域并非時(shí)時(shí)與冰體發(fā)生接觸，但整個(gè)過(guò)程船冰接觸區(qū)域集中在此。因此，平均應(yīng)力并不能作為檢驗(yàn)外板是否發(fā)生屈服的標(biāo)準(zhǔn)，但是，將不同舷側(cè)結(jié)構(gòu)上船體外板接觸區(qū)域受到的平均應(yīng)力進(jìn)行比較，可根據(jù)各自的應(yīng)力狀況評(píng)價(jià)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞。

仿真模擬時(shí)間為1 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.02 s。圖3顯示船舶肩部的塑性破壞情況，該船舶舷側(cè)采用高強(qiáng)度鋼AH32，材料所受應(yīng)力超過(guò)315 MPa認(rèn)為其達(dá)到屈服極限，此后發(fā)生塑性變形和破壞。圖中顯示，接觸區(qū)域的舷側(cè)外板在較大范圍內(nèi)發(fā)生塑性變形，其中3處塑性應(yīng)變值超過(guò)0.2導(dǎo)致單元破壞。圖3為計(jì)算時(shí)間內(nèi)各時(shí)間步接觸區(qū)域外板單元上受到的平均應(yīng)力，由于外板較早發(fā)生破壞，船冰相互侵入對(duì)方，在碰撞初始0.3 s以內(nèi)，應(yīng)力值迅速增大后相對(duì)穩(wěn)定。因此，該船舶肩部舷側(cè)區(qū)域需要結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

3 舷側(cè)結(jié)構(gòu)常規(guī)加強(qiáng)方案及耐撞性能研究

棱角冰對(duì)船舶肩部的破壞集中在舷側(cè)冰帶線附近，結(jié)合圖紙信息及計(jì)算結(jié)果，將吃水方向在平臺(tái)板至以上第 4 根肋骨之間的船舶肩部舷側(cè)區(qū)域的構(gòu)件作為加強(qiáng)對(duì)象。本節(jié)中常規(guī)加強(qiáng)方案是指僅通過(guò)增加板厚或增設(shè)骨材來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)，且增設(shè)的骨材默認(rèn)與結(jié)構(gòu)中同類構(gòu)件具有相同的結(jié)構(gòu)形式。為了使常規(guī)加強(qiáng)方案具有可比性，加強(qiáng)方案中所增加的鋼材重量保持不變。

3.1 加強(qiáng)方案

本節(jié)選取了 3 種常規(guī)加強(qiáng)方案進(jìn)行舷側(cè)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，根據(jù)各自結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況比較其耐撞性能的優(yōu)劣。方案（a）：增加該區(qū)域舷側(cè)外板的厚度6 mm，保持其他構(gòu)件不變；方案（b）：在該區(qū)域肋骨之間1/2肋位處增設(shè)中間肋骨，等效為扁鋼厚度20 mm，保持其他構(gòu)件不變；方案（c）：在該區(qū)域縱骨之間1/2跨距處增設(shè)縱骨，等效為扁鋼厚度16 mm，保持其他構(gòu)件不變。

3.2 數(shù)值結(jié)果及分析

圖5為 3 種方案下，船舶肩部舷側(cè)接觸區(qū)域在1.0 s的塑性應(yīng)變圖。 3 種方案，外板及舷側(cè)其他結(jié)構(gòu)均發(fā)生不同程度的塑性應(yīng)變，方案（a）和方案（b）外板未發(fā)生失效，方案（c）外板上出現(xiàn)破口。1.0 s時(shí)刻，方案（a）中外板單元的最大塑性應(yīng)變?yōu)?.18，節(jié)點(diǎn)的最大塑性變形為0.035 m；方案（b）中外板單元的最大塑性應(yīng)變?yōu)?.16，節(jié)點(diǎn)的最大塑性變形為0.028 m。從舷側(cè)各構(gòu)件在 3 種方案下發(fā)生塑性破壞的程度來(lái)看，方案（b）均優(yōu)于其他 2 種方案。與原結(jié)構(gòu)相比，3 種方案中外板的塑性破壞程度雖有所減輕，但仍產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變。結(jié)合本節(jié)的結(jié)論可知，增設(shè)橫向構(gòu)件對(duì)于提升舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性能較為顯著，為了進(jìn)一步降低外板的塑性破壞程度，有必要改變所增設(shè)的舷側(cè)橫向構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式。

圖6為 3 種方案下，所選船舶肩部舷側(cè)接觸區(qū)域船體外板上受到的平均應(yīng)力。將加強(qiáng)后與未加強(qiáng)前外板上受到的平均應(yīng)力作比較，發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)后的平均應(yīng)力總體上偏小，但在個(gè)別時(shí)間段內(nèi)曲線急劇上升再下降[9]，這與外板是否失效以及外板抵抗載荷的參與程度有關(guān)。未加強(qiáng)前外板在冰載荷作用下發(fā)生破壞，由于結(jié)構(gòu)較弱棱角冰較早侵入船體，外板雖有失效但船冰仍緊密接觸，應(yīng)力曲線迅速上升至某一點(diǎn)后平緩變化，加強(qiáng)方案中外板接觸區(qū)域各單元始終參與抵抗外載荷，當(dāng)外載荷增大時(shí)，其受到的應(yīng)力陡增，當(dāng)接觸相對(duì)松弛時(shí)，其受到的應(yīng)力迅速減小?？梢园l(fā)現(xiàn)，方案（b）和方案（c）的平均應(yīng)力總體小于方案（a），這說(shuō)明在所選船舶肩部舷側(cè)區(qū)域增設(shè)中間肋骨以及縱骨可以有效分解外板抵抗冰載荷的壓力，優(yōu)化外板上的應(yīng)力分布。方案（c）中外板發(fā)生破壞，部分單元在失效后不再抵抗冰載荷，因此，其應(yīng)力總體小于方案（b）。

4 新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及耐撞性能研究

采用常規(guī)加強(qiáng)方案對(duì)所選船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，將各方案中外板接觸區(qū)域的響應(yīng)與未加強(qiáng)前比較，接觸區(qū)域的應(yīng)力水平和變形情況都有了不同程度的改善。仍然存在的問(wèn)題是，由于加強(qiáng)構(gòu)件不能均勻的分布在外板與骨材之間，從而不能將外板局部區(qū)域受到的冰載荷有效地傳遞給支撐構(gòu)件，導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)不穩(wěn)定，在某些時(shí)間段突然急劇上升再下降，在塑性破壞方面，外板產(chǎn)生的塑性應(yīng)變?nèi)暂^大。為了改善這種情況，在方案（b）的基礎(chǔ)上，本節(jié)設(shè)計(jì)了 2 種新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)。

4.1 新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)

為了與常規(guī)加強(qiáng)方案具有可比性，本節(jié)中新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)所增加的構(gòu)件重量與上節(jié)保持不變。方案（d）：將方案（b）一道中間肋骨改為兩道交叉呈X形布置的肋骨[10]，其垂直部分的厚度為18 mm，傾斜部分的厚度為19 mm，位于相鄰肋位的中間1/3肋距內(nèi)，保持其他構(gòu)件不變；方案（e）：將方案（b）一道中間肋骨改為兩道，兩道肋骨之間通過(guò)水平支撐板連接，肋骨的厚度為18 mm，支撐板的厚度為20 mm，整個(gè)肋骨結(jié)構(gòu)呈H形，位于相鄰肋位的中間1/3肋距內(nèi)，保持其他構(gòu)件不變。X形，H形肋骨結(jié)構(gòu)的剖面形狀如圖7所示。

4.2 數(shù)值結(jié)果及分析

圖8為 2 種方案下，船舶肩部舷側(cè)接觸區(qū)域在1.0 s的塑性應(yīng)變圖。相比常規(guī)加強(qiáng)方案，2 種新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的塑性應(yīng)變偏小，舷側(cè)外板均未發(fā)生失效。1.0 s時(shí)刻，方案（d）中外板單元的最大塑性應(yīng)變?yōu)?.16，節(jié)點(diǎn)的最大塑性變形為0.026 m；方案（e）中外板單元的最大塑性應(yīng)變?yōu)?.12，節(jié)點(diǎn)的最大塑性變形為0.021 m。比較方案（d）和方案（b），可以發(fā)現(xiàn)，將一道中間肋骨改為兩道交叉布置的斜肋骨，對(duì)于減小外板的變形效果不大。外板上產(chǎn)生最大塑性應(yīng)變的區(qū)域與肋骨傾斜部分處于同一高度，即集中在肋骨傾斜部分前后兩側(cè)，肋骨相互交叉可以使其連接更加緊密從而能夠及時(shí)傳遞載荷，但與肋骨傾斜部分處于同一高度的外板并沒(méi)有得到比方案（b）更有效的加強(qiáng)。方案（e）舷側(cè)外板所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變明顯小于方案（b）和方案（d），此外考察舷側(cè)其他構(gòu)件所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變均小于方案（b）和方案（d），H形肋骨的設(shè)計(jì)既考慮了其能夠較好地傳遞載荷又避免了肋骨連接部位得不到有效加強(qiáng)的問(wèn)題，抵抗塑形破壞的效果最為理想。

圖9為 2 種方案下，船舶肩部舷側(cè)接觸區(qū)域船體外板上受到的平均應(yīng)力。研究方案（d）和方案（e），不難發(fā)現(xiàn)，2 種方案下其應(yīng)力曲線較其他方案上下波動(dòng)相對(duì)緩和，說(shuō)明在整個(gè)碰撞過(guò)程中，由于外板上受到的冰載荷能夠有效地傳遞給其他構(gòu)件，外板不需要在很小的區(qū)域單獨(dú)抵抗外載，加載——卸載現(xiàn)象不如上節(jié)明顯，其應(yīng)力狀態(tài)較為穩(wěn)定。碰撞過(guò)程中，方案（e）外板接觸區(qū)域的平均應(yīng)力低于方案（d），說(shuō)明方案（e）中舷側(cè)接觸區(qū)域的骨架在抵抗外載荷方面效果更顯著。

4.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施及建議

在所選船舶肩部舷側(cè)接觸區(qū)域肋位間增設(shè)的新型肋骨結(jié)構(gòu)尤其是H形肋骨結(jié)構(gòu)，無(wú)論從外板塑形破壞程度或從其受到的平均應(yīng)力來(lái)看，都具有較優(yōu)的抗冰碰撞性能。但由于僅僅是增加構(gòu)件，對(duì)原始結(jié)構(gòu)的合理性、優(yōu)劣性沒(méi)有也不能給予必要的考慮。如果結(jié)構(gòu)仍然處于設(shè)計(jì)階段，根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路，能夠確定的設(shè)計(jì)變量不再局限于所增設(shè)的構(gòu)件尺寸、結(jié)構(gòu)形式等。在滿足約束條件的情況下，可以改變結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件的尺寸、結(jié)構(gòu)形式等，使目標(biāo)函數(shù)取得最優(yōu)的結(jié)果。

本文并不旨在通過(guò)有限元方法獲得某個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，但在檢查各構(gòu)件響應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)即使是方案（e），舷側(cè)接觸區(qū)域內(nèi)部各構(gòu)件仍然存在所受應(yīng)力水平以及塑性破壞程度不均的情況，甚至差別較大。若外載荷增大，鑒于冰體材料、形狀的特殊性，船冰接觸可能是冰的尖點(diǎn)與船接觸，其對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)的作用面積小且壓強(qiáng)大，極少數(shù)構(gòu)件的失效將引起嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷。本節(jié)在方案（e）的基礎(chǔ)上對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保持結(jié)構(gòu)重量不變，通過(guò)改變?cè)搮^(qū)域各構(gòu)件的尺寸參數(shù)，縮小上述差距，同時(shí)不加重外板上承受的平均應(yīng)力及其塑性破壞的程度。

方案（e）中，舷側(cè)橫隔板的塑性應(yīng)變?yōu)?.16，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他構(gòu)件，考慮到舷側(cè)外板的重要性，在方案（e）的基礎(chǔ)上，增加接觸區(qū)域舷側(cè)外板的厚度至17 mm，將橫隔板的厚度增加1 mm，同時(shí)減小舷側(cè)肋骨（不含新型肋骨結(jié)構(gòu)）以及縱骨的厚度至19 mm。圖10為優(yōu)化前后舷側(cè)內(nèi)部各構(gòu)件在1.0 s的塑性應(yīng)變圖，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)各構(gòu)件產(chǎn)生的塑性應(yīng)變差距縮小，舷側(cè)橫隔板的塑性應(yīng)變?yōu)?.12，接近外板單元的最大塑性應(yīng)變0.1。圖9中藍(lán)色曲線顯示優(yōu)化以后船體外板上受到的平均應(yīng)力，由圖可知，上述優(yōu)化仍然保持外板較為穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)并使其承受的平均應(yīng)力略有減小。

不難發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足基本強(qiáng)度和剛度要求時(shí)，檢查各類構(gòu)件所處的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變情況是否存在較大差異十分必要。通過(guò)本節(jié)的優(yōu)化，舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗冰碰撞性能進(jìn)一步提升，在結(jié)構(gòu)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求的前提下則可以適當(dāng)減小構(gòu)件尺寸，降低成本。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，調(diào)整各構(gòu)件的尺寸，可以達(dá)到合理利用鋼材、提高結(jié)構(gòu)性能的目的。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了船—冰碰撞數(shù)值仿真中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，以船舶肩部舷側(cè)區(qū)域與棱角冰發(fā)生碰撞作為計(jì)算工況，對(duì)所選船舶舷側(cè)與冰體碰撞進(jìn)行了數(shù)值仿真，根據(jù)舷側(cè)響應(yīng)情況指出其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的必要性。在此基礎(chǔ)上，提出 3 種舷側(cè)常規(guī)加強(qiáng)方案，比較了各自與冰體接觸區(qū)域船體外板上受到的平均應(yīng)力以及碰撞過(guò)程中船體結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性破壞的程度，指出結(jié)構(gòu)仍然存在的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了 2 種新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，分析了各自與冰體碰撞的響應(yīng)情況，得到如下結(jié)論：

1）在本文所述保持所增加構(gòu)件重量一定的情況下，針對(duì)棱角冰對(duì)油船舷側(cè)的破壞，增設(shè)橫向構(gòu)件比增設(shè)縱向構(gòu)件更加有效。

2）新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)將所加構(gòu)件更加均勻分布在外板接觸區(qū)域內(nèi)，避免了外板在很小的區(qū)域單獨(dú)抵抗外載，使得外板的應(yīng)力狀態(tài)更加穩(wěn)定，產(chǎn)生的塑性應(yīng)變更小。對(duì)比 2 種新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)可知，H形肋骨結(jié)構(gòu)形式耐撞性能優(yōu)于X形。

3）鑒于冰體材料、形狀的特殊性，將縮小舷側(cè)結(jié)構(gòu)中各類構(gòu)件所處的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變情況的差距作為對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的目標(biāo)之一十分必要，考慮并解決該問(wèn)題，可以達(dá)到合理利用鋼材、提高結(jié)構(gòu)抗冰碰撞性能的目的。

[ 1 ]RECLDING K A. Mechanics of minor ship collision [J]Impact Engineering, 1983, 1 (3): 281–299.

[ 2 ]江華濤. 船舶碰撞與緩沖船艏結(jié)構(gòu)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2002.

[ 3 ]徐秉業(yè), 劉信聲. 考慮應(yīng)變率敏感性的塑性動(dòng)力學(xué)[J]. 機(jī)械強(qiáng)度, 1984, 3: 75-83.

[ 4 ]王自力. 船舶碰撞損傷機(jī)理與結(jié)構(gòu)耐撞性研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2000.

[ 5 ]LIU Zhen-hui, J?RGEN A, SVEINUNG L. Plasticity based material modeling of ice and its application to ship-iceberg impacts [J]. Cold Regions Science and Technology, 2011,326–334.

[ 6 ]SANG GAB LEE J S LEE, Y H BAEK, J K Paik, et al.Structural safety assessment in membrane-type CCS in LNGC under iceberg collision [A], ICSOT, 2009.

[ 7 ]WANG Bo, YU Han-chang. Ship and ice collison modeling and strength evaluation of LNG ship structure [C]//OMAE2008,shanghai.

[ 8 ]楊亮, 馬駿. 冰介質(zhì)下的船舶與海洋平臺(tái)碰撞的數(shù)值仿真分析[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái), 2008, 2: 33-37.YANG Liang, MA Jun. Numerical simulation analysis for the collision between offshore platform under the sea ice medium[J]. China offshore Platform, 2008, 2: 33-37.

[ 9 ]張健, 張淼溶, 萬(wàn)正權(quán), 等. 冰材料模型在船-冰碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值仿真中的應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)造船, 2013, 4: 108-116.ZHANG Jian, ZHANG Miao-rong, WAN Zheng-quan, et al.Research on ice material model applied in numerical simulation of structure response under iceberg collision[J].Shipbuilding of China, 2013, 4: 108-116.

[10]王自力, 張延昌. 基于夾層板的單殼船體結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)[J].中國(guó)造船, 2008, 1: 64-69.WANG Zi-li, ZHANG Yan-chang. Single hull ship structure crashworthy design based on sandwich pannel[J]. Shipbuilding of China, 2008, 1: 64-69.

Strengthening method and optimization design for a ship′s side to resist ice collision load

ZHANG Miao-rong1, WANG Xiang-kang1, ZHANG Jian2, ZHANG Yi-fei1
(1. College of Shipping and Electromechanical Engineering, Taizhou University, Taizhou 225300, China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering., Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

In this paper, key technique used in numerical simulation of ship-ice collision was introduced, the collision between the side of a ship’s shoulder and angular ice was taken as computation condition, the necessity for structure strengthen was pointed out in view of the response of its side. Several conventional strengthening methods were proposed on this basis, the mean stress that hull plates in contact region

and the degree of plastic damage of hull structure are contrasted respectively, the problem that still existed and the direction for subsequent strengthening were stated. Finally, two new side structures were designed, one of them was optimized and whose fine performance in resisting ice collision load was verified, relevant conclusions about structural design of ship’s side in resisting ice collision load were obtained.

collision between ships and ice；ice model；structural strengthening；optimization design

U661.4

A

1672 – 7649(2017)09 – 0029 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.006

2016 – 12 – 03；

2016 – 12 – 30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51579121)；江蘇省高校自然基金重大資助項(xiàng)目(15KJA580002)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201512917013Y)

張淼溶(1989 – )，男，博士研究生，助教，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)性能、非線性振動(dòng)。