基于船-水-冰耦合技術(shù)的撞擊參數(shù)對(duì)船冰碰撞性能的影響

張 健，王甫超,2，劉海冬，許俊華

(1. 江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 浙江大華技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310000；3. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

航行于極地航道的船舶，與浮冰發(fā)生碰撞可能性極大，船體結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)破裂、屈曲等失效[1 – 3]。目前對(duì)于船冰碰撞的研究尚不充分，更很少有學(xué)者考慮周圍水的動(dòng)力效應(yīng)扮演的重要角色[4 – 5]。應(yīng)用有限元軟件對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物進(jìn)行動(dòng)力分析，一般會(huì)采用3種方法：流固耦合法、等效船體梁法、附連水質(zhì)量法。流固耦合算法是目前比較準(zhǔn)確的有限元算法，劉昆等[6]考慮了船體與流場(chǎng)、被撞船與撞擊船之間的耦合，分析碰撞過程中兩船的同步損傷，對(duì)碰撞過程中2艘船的運(yùn)動(dòng)、碰撞力、結(jié)構(gòu)損傷變形、能量轉(zhuǎn)化及各構(gòu)件吸收情況進(jìn)行了研究。

在實(shí)際船冰碰撞過程中，撞擊參數(shù)（撞擊位置、冰體質(zhì)量、撞擊速度、撞擊角度）等存在很多情況，不同的情況組合對(duì)船體碰撞性能的影響不同[7]。因此，進(jìn)一步開展冰體質(zhì)量與碰撞角度對(duì)碰撞性能的影響有必要。本文利用Ansys建立1艘16萬噸級(jí)的油船首部模型，并使用非線性有限元軟件Ls-dyna求解分析，基于流固耦合算法研究船舶碰撞性能。

1 船-水-冰耦合技術(shù)及船體碰撞模型

本文的船-水-冰耦合技術(shù)指的是基于目前數(shù)值模擬技術(shù)，最大限度地考慮船舶撞擊冰體過程中船體與冰體自身結(jié)構(gòu)及周圍流場(chǎng)等影響參數(shù)，盡可能真實(shí)地反映船冰碰撞場(chǎng)景的一種有限元數(shù)值模擬方法。

1.1 流固耦合

在船冰碰撞過程中，周圍水域肯定會(huì)對(duì)其影響。在非線性有限元軟件中，為了解決歐拉網(wǎng)格與拉格朗日網(wǎng)格中的材料相互作用而引入流固耦合。如果不定義耦合關(guān)系，拉格朗日網(wǎng)格與歐拉網(wǎng)格相互獨(dú)立，互不影響。Ls-dyna軟件中定義有正體積封閉的耦合面。為最大限度考慮船冰碰撞過程中周圍流場(chǎng)、自身結(jié)構(gòu)等影響參數(shù)，盡可能模擬船冰碰撞真實(shí)場(chǎng)景而引入流固耦合算法。

1.2 碰撞模型

為了減少仿真計(jì)算誤差，使用體單元建立船體模型時(shí)，盡可能與實(shí)船保持一致，并使用精細(xì)網(wǎng)格（見圖1）。船首結(jié)構(gòu)使用的材料為普通船用鋼，對(duì)應(yīng)變率高度敏感，需要在材料本構(gòu)模型中引入應(yīng)變率，選用的是線性強(qiáng)化的Cowper-Symonds彈塑性模型。極地海域的浮冰大多是老年冰，冰體材料參數(shù)參照文獻(xiàn)[8]：密度890 kg/m3，彈性模量4.3 GPa，泊松比0.3，塑形失效應(yīng)變0.01，彎曲強(qiáng)度2.5 MPa。船冰碰撞有限元模型如圖2所示。

1.3 碰撞方案

在實(shí)際船舶碰撞過程中，撞擊參數(shù)具有多樣性。本文從冰體質(zhì)量、撞擊角度來研究船舶碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)，碰撞方案如表1所示。

圖1 船首網(wǎng)格劃分圖Fig. 1 Bow grid division diagram

圖2 船冰碰撞有限元模型Fig. 2 Ship ice collision finite element model

表1 碰撞方案Tab. 1 Collision scheme

所有工況下船舶的初速度都為8 m/s，不同角度下，船-水-冰耦合碰撞有限元模型如圖3所示。

圖3 船-水-冰耦合碰撞模型圖Fig. 3 Ship - water - ice coupling collision model diagram

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 冰體質(zhì)量對(duì)船冰碰撞的影響

圖4給出了不同冰體尺寸下船-水-冰碰撞計(jì)算獲得的碰撞力曲線。由于船舶不斷地撞擊擠壓冰體，因此碰撞力均呈現(xiàn)明顯的非線性，碰撞力一致地以波動(dòng)狀態(tài)逐漸上升，但可以看出冰體尺寸較小的碰撞力波動(dòng)幅度較大，冰體尺寸較大的碰撞力波動(dòng)幅度較緩，表明船-水-冰三者耦合過程中不斷地產(chǎn)生各種程度的載荷卸載。對(duì)比分析考慮流固耦合情況下的4種碰撞工況，可以得到碰撞開始的時(shí)間基本在0.1 s左右，這是由于船冰在接觸之前，兩者之間存在水介質(zhì)，船舶需

圖4 不同工況下碰撞力時(shí)歷曲線Fig. 4 The time history of the collision force of different conditions

要克服水阻力做功。在1 s的碰撞過程中，水介質(zhì)中3種工況下的碰撞力曲線都以近似的波動(dòng)趨勢(shì)快速增大，但是不同冰體尺寸下，船-水-冰碰撞產(chǎn)生的最大碰撞力及碰撞時(shí)刻有所差別。當(dāng)冰體邊長為12 m時(shí)，碰撞力最大峰值為182 MN，碰撞時(shí)刻為1 s；當(dāng)冰體邊長為18 m時(shí)，碰撞力最大峰值為243 MN，碰撞時(shí)刻為0.95 s；當(dāng)冰體邊長為24 m時(shí)，碰撞力最大峰值為260 MN，碰撞時(shí)刻為0.98 s。因此可以看出，各種工況下船-水-冰三者耦合的碰撞力處于同一數(shù)量級(jí)，隨著冰體質(zhì)量的增大，船-水-冰三者耦合的碰撞力峰值也隨著增大，冰體對(duì)船首的損傷程度也增大。

為了分析研究船-水-冰三者耦合碰撞過程中三維實(shí)船首部結(jié)構(gòu)的損傷及變形情況，圖5和圖6給出船舶以8 m/s的初速度撞擊不同尺寸冰體，船首外板及舷側(cè)縱骨及冰體在1 s時(shí)的變形損傷和應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出，在1 s時(shí)刻，船首外板及舷側(cè)縱骨都產(chǎn)生了不同程度的大變形，隨著冰體尺寸的增加，船首外板及舷側(cè)縱骨的變形損傷也不斷增大。當(dāng)冰體邊長為12 m時(shí)，船首外板及舷側(cè)縱骨變形深度不算太大，變形區(qū)域主要分布在與冰體接觸的地方，局部高應(yīng)力區(qū)域分布與變形區(qū)域保持一致；當(dāng)冰體邊長增加到24 m時(shí)，船首結(jié)構(gòu)損傷程度最為嚴(yán)重，船首外板和舷側(cè)縱骨產(chǎn)生了巨大的撕拉、彎曲及扭曲等形式的大變形。在碰撞過程中，船體的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)化為船體結(jié)構(gòu)的塑性變形能，一部分轉(zhuǎn)化為水的動(dòng)能，同時(shí)還轉(zhuǎn)化為冰體的變形能等。從圖7可以看出，冰體也產(chǎn)生了大量的破碎、失效，從冰體的破碎狀態(tài)也可看出冰體破壞主要發(fā)生在船首與冰體接觸區(qū)域。當(dāng)冰體厚度較小時(shí)，冰體的破碎程度較大，船體結(jié)構(gòu)可以有效地撞裂冰體，但隨著冰體尺寸的增加，冰體的阻力增大，船首結(jié)構(gòu)只能在一定程度上擠壓冰體，不容易使冰體快速產(chǎn)生破裂、失效。一定程度上水介質(zhì)減緩了冰體對(duì)船體的損傷。

圖5 不同冰體尺寸下船首外板的變形損傷和應(yīng)力分布圖Fig. 5 The damage deformation and stress patter of bow plate under different ice sizes

2.2 撞擊角度對(duì)船冰碰撞的影響

圖6 不同冰體尺寸下舷側(cè)縱骨的變形損傷和應(yīng)力分布圖Fig. 6 The damage deformation and stress patter of side longitudinal under different ice sizes

圖8給出了不同冰體尺寸下船-水-冰碰撞計(jì)算獲得的碰撞力曲線。撞擊角度的改變對(duì)碰撞力的走勢(shì)影響不大，但隨著碰撞角度的變大，碰撞力峰值在下降，同時(shí)每條碰撞力曲線出現(xiàn)波峰波谷的時(shí)間和次數(shù)是不同的，這是因?yàn)殡S著角度的不斷增大，冰體正面與船首的接觸面積越來越小，冰體的接觸區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)向船首肩部，冰體的棱角迅速劃破船體表面，由于肩部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不及首部，碰撞力峰值逐漸減小，而且產(chǎn)生碰撞力峰值的時(shí)刻也逐漸提前。

圖7 不同工況下冰體變形損傷和應(yīng)力分布圖Fig. 7 The damage deformation and stress patter of ice under different conditions

圖8 不同角度下碰撞力曲線對(duì)比圖Fig. 8 The time history of the collision force at different angles

圖9 不同角度下船首外板和冰體的變形損傷及應(yīng)力分布圖Fig. 9 The damage deformation and stress patter of bow plate and ice at different angles

從圖9可以看出，隨著冰體撞擊角度的改變，船體外板產(chǎn)生了較大的損傷變形，當(dāng)角度為0°時(shí)，2種碰撞模型的船首均產(chǎn)生了較明顯的變形，冰體也產(chǎn)生了大量的破碎。當(dāng)碰撞角度為60°時(shí)，冰體與船首的接觸面積逐漸減小，冰體的棱角開始劃割船首外板，由于船首肩部的結(jié)構(gòu)較首部弱，冰體很快就將船體刺破，對(duì)船體內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞。角度的改變促使冰體與船體接觸的次序不同，也就造就了船體構(gòu)件的失效次序。從冰體的破碎情況可以明顯看出冰體與船首的接觸位置發(fā)生了變化，該種情況對(duì)船體的損傷較大，船舶在行駛過程中要避開冰體的棱角。

3 結(jié) 語

1）采用船-水-冰耦合技術(shù)考慮了船冰碰撞過程中周圍流暢、自身結(jié)構(gòu)等因素的影響，最大限度模擬了船冰碰撞真實(shí)場(chǎng)景，有效分析船冰碰撞過程中碰撞力與損傷變形情況，隨著計(jì)算機(jī)的不斷更新，將來必會(huì)成為船冰碰撞可取而又實(shí)用的方法。

2）船冰碰撞過程中碰撞力均呈現(xiàn)明顯的非線性，碰撞力一致地以波動(dòng)狀態(tài)逐漸上升。隨著冰體尺寸的增加，碰撞力曲線波動(dòng)幅度較緩，峰值變大。撞擊角度的改變對(duì)碰撞力的走勢(shì)影響不大，但隨著碰撞角度的變大，碰撞力峰值在下降，同時(shí)每條碰撞力曲線出現(xiàn)波峰波谷的時(shí)間和次數(shù)是不同的。

3）船-水-冰耦合的碰撞過程中，并不考慮水的研究結(jié)果差別不大，船體結(jié)構(gòu)與冰體損傷具有明顯的局部性，但水介質(zhì)在一定程度上減緩了冰體對(duì)船體的損傷破壞。只有撞擊角度的改變才會(huì)影響船體構(gòu)件的失效次序，冰體大小會(huì)影響船體構(gòu)件損傷程度。冰體尺寸越小，與船體接觸為棱角的冰體撞擊破裂、失效越嚴(yán)重。