船艏冰刀對船冰碰撞時結(jié)構(gòu)動力響應影響分析

劉少康，李中揚，樊紅元，盧馨迪

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

近年來，隨著全球氣候變暖，北極冰川融化，北極航道的開辟成為一種可能[1]。船舶航行于北方航道與傳統(tǒng)南方航道相比可縮短航程，因此極地冰區(qū)船舶設計研究已成為船舶設計的重點領域之一[2]。然而，船舶在極地冰區(qū)航行時，時刻面臨著與海冰發(fā)生碰撞的風險，船舶在冰載荷作用下，可能造成船體外板變形，甚至破裂等嚴重后果[3]。深入研究船冰碰撞力學機理，提出船舶冰區(qū)加強方案，對極地船舶的結(jié)構(gòu)設計和安全航行具有重要意義。

早期的船冰碰撞理論是以船舶碰撞為基礎的Minorsky理論發(fā)展而來[4]。然而，船舶與海冰碰撞是一個非常復雜的非線性動態(tài)響應過程，不僅與船舶外形、尺寸、剛度、航行狀態(tài)有關，也與海冰的類型、強度、速度等參數(shù)有著密切關系[5]，且又伴隨著周圍水介質(zhì)作用的影響，運用解析公式方法無法準確計算。有學者通過將船舶和海冰碰撞數(shù)值模擬結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，還有經(jīng)驗公式計算結(jié)果三者相比，驗證船冰碰撞數(shù)值模擬方法的準確性，認為現(xiàn)有公式無法滿足任意工況下的船冰碰撞精度要求[6-7]。非線性有限元數(shù)值模擬技術已成為船冰碰撞研究中冰載荷預報的主要方法。

在芬蘭-瑞典冰級規(guī)范[8]中，對于IA及IA Super冰級船舶需要在尾部低位冰區(qū)水線(LIWL)以下增加冰刀用于對舵的保護，尤其是使用襟翼舵時需特別考慮冰刀設計方案。對于船舶艏部，規(guī)范僅對外板厚度、剖面模數(shù)和剪切面積提出相應要求，而對增加艏部冰刀等改進措施相關方法的描述較少?，F(xiàn)有論文大多是對船冰碰撞機理，以及船冰碰撞結(jié)構(gòu)強度的研究，而對船冰碰撞結(jié)構(gòu)損傷改進措施的研究相對較少。

本文為探討加裝船艏冰刀是否能減小船冰碰撞過程中的船舶結(jié)構(gòu)損傷，采用非線性有限元數(shù)值方法，對一艘冰區(qū)船舶設計無冰刀和加裝冰刀兩種模式分別與海冰碰撞比較，研究兩種工況下船舶結(jié)構(gòu)動力響應之間的差異，為極地冰區(qū)船舶設計提供參考依據(jù)。

1 模型建立與理論方法

1.1 模型建立

選取一艘為芬蘭船東公司設計建造，滿足IA冰級要求，服務于無限航區(qū)，主要航行于歐洲西北部，用于運輸一般滾裝貨物、車輛、紙質(zhì)產(chǎn)品和木材等的7 000 t多用途船，其主尺度見表1，模擬船冰碰撞過程，建立該船舶與海冰碰撞有限元模型見圖1。

表1 船舶主尺度 m

圖1 船冰碰撞有限元模型

1.2 船艏冰刀加裝方法

在艏前端插入厚度為100 mm的鋼板作為冰刀，冰刀結(jié)構(gòu)以及與船體板焊接形式見圖2、3。

圖2 冰刀外輪廓

圖3 冰刀截面形式

1.3 流體效應簡化

船舶和海冰碰撞過程始終伴隨著水介質(zhì)參與其中，流體介質(zhì)分布情況在一定程度上影響船冰碰撞過程中變形和運動的變化，這種變化同時也會改變流體載荷的大小和分布狀況，因此船冰碰撞過程中的流體效應不可忽略。但是采用流固耦合有限元方法模擬船冰碰撞問題極其耗費計算資源[9]，通常不作為碰撞問題研究的首選方案，目前可有切片法或者經(jīng)驗公式估算附加水質(zhì)量兩種方式取代流固耦合方法[10]。

采用附加水質(zhì)量法研究船冰碰撞問題，船舶沿船長方向做縱向運動時，附加質(zhì)量mxx取為船體總質(zhì)量m的5%倍[11]，可通過改變船舶材料密度的方式將附加水質(zhì)量增加到船舶有限元模型中模擬水介質(zhì)對船冰碰撞過程的影響。

1.4 船冰碰撞運動控制方程

船舶與海冰接觸碰撞作用通常是伴隨著高度非線性產(chǎn)生的瞬時高能過程，在運用非線性有限元方法計算時，適宜于采用顯示時間積分方法求解，其運動方程如下。

Ma+Cv+Kx=Fext

(1)

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；a為加速度向量；v為速度向量；x為位移向量；Fext為外力向量。

1.5 碰撞損傷判定指標

1)動能和船速時程曲線。根據(jù)動能和船速隨時間變化關系反映船舶遭遇海冰碰撞后的運動變化情況。當船舶速度損失過快時，可能造成船舶“卡冰”現(xiàn)象發(fā)生，不利于船舶正常航行。

2)各組件吸能情況。非線性有限元數(shù)值模擬中，在不考慮溫度場變化的條件下，結(jié)構(gòu)吸收內(nèi)能即等于該部分塑性變形能。因此，各組件吸能情況反映了船冰碰撞系統(tǒng)中各個部分塑性變形情況。

3)應力、應變云圖。von Mises應力采用應力等值線的方式來表達模型內(nèi)部應力分布情況，據(jù)此可快速確定模型最危險區(qū)域，同時，結(jié)合有效塑性應變云圖顯示該區(qū)域塑性變形大小，通過設定失效應變模擬破損狀況。

4)碰撞力。碰撞力時程曲線的變化形態(tài)反映出船冰碰撞系統(tǒng)中各個構(gòu)件失效情況，當某構(gòu)件發(fā)生失效時，撞擊力都會出現(xiàn)突然下降，曲線的強間斷性體現(xiàn)了內(nèi)部構(gòu)件的失效狀態(tài)[12]。

2 船冰碰撞有限元分析

選取7 000 t滾裝多用途船，在確保船舶裝載狀況、碰撞位置、網(wǎng)格尺度、接觸設置等各條件相同情況下，研究船舶以5 m/s航行速度撞擊1 m厚海冰，在是否加裝艏部冰刀的2種碰撞模式下進行數(shù)值模擬對比分析計算如下。

2.1 能量轉(zhuǎn)化和運動狀態(tài)變化

如圖4所示，在有、無船艏冰刀2種工況下，碰撞過程中的系統(tǒng)總能量均不隨時間變化而變化，符合能量守恒定律；同時沙漏能始終較小，表明數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的準確性和可靠性。

圖4 能量變化時程曲線

碰撞發(fā)生后，由圖5、6可知，加裝冰刀可以緩解船舶動能損失，且減小船速下降趨勢，因此通過加裝船艏冰刀有利于提高船舶破冰效率，減小船舶“卡冰”的可能性。

圖5 船舶動能時程曲線

圖6 船舶速度時程曲線(X方向)

同時，將船冰碰撞有限元模型分為冰體、冰刀、船體3個子系統(tǒng)，研究各部分結(jié)構(gòu)吸能情況，各部分吸能情況對比見表2。由表2可知，加裝船艏冰刀后，冰體吸收內(nèi)能基本不變，但船體吸收內(nèi)能大大降低，由9.19 MJ降為2.27 MJ，僅為無冰刀工況下的1/4，因此，加裝艏部冰刀可使得船體結(jié)構(gòu)的損傷減弱，船舶發(fā)生的塑性變形情況可明顯改善。

表2 各部分吸能情況對比表

2.2 船冰碰撞損傷變形

研究船冰碰撞接觸時間1 s時，船艏碰撞區(qū)域損傷變形見圖7、8。船舶損傷大多發(fā)生在接觸碰撞區(qū)域；對冰體而言，船艏加裝冰刀與否均能完成對冰體結(jié)構(gòu)的破壞；對船體而言，船艏在不加裝冰刀時，船艏區(qū)域外板發(fā)生嚴重變形，并存在船艏外板破損情況發(fā)生；加裝冰刀后，船舶艏部損傷變形情況明顯改善。

圖7 船艏無冰刀時，船舶碰撞損傷情況

圖8 船艏有冰刀時，船舶碰撞損傷情況

von Mises應力云圖見圖9，有效塑性應變云圖見圖10。

圖9 von Mises應力云圖

圖10 有效塑性應變云圖

由圖9、10可知，船冰碰撞過程中，僅在船舶艏部碰撞接觸區(qū)域產(chǎn)生較高von Mises應力值，碰撞損傷具有明顯局部性。從船舶艏部應變云圖可看出，加裝冰刀前，船艏有少量單元網(wǎng)格等效應變值因達到設定失效應變值0.22而被刪除，表明存在局部破損現(xiàn)象發(fā)生；而加裝冰刀后，船艏變形明顯減小，von Mises應力值和等效應變值均減小，船艏損傷情況明顯好轉(zhuǎn)，且不再有破損現(xiàn)象發(fā)生。因此，可認為加裝冰刀對船舶航行安全提供了有效保障。

2.3 碰撞力時程曲線

有、無加裝船艏冰刀2種計算工況下的碰撞力時程曲線見圖11，加裝船艏冰刀后，最大碰撞力由9.92 MN下降為8.27 MN，碰撞力均值由3.32 MN下降為1.52 MN，僅為45.8%，且曲線振蕩幅度也有所下降，對因接觸碰撞所造成的船體結(jié)構(gòu)失效狀況具有改善作用。

圖11 碰撞力時程曲線

2.4 冰刀結(jié)構(gòu)損傷

冰刀von Mises應力云圖見圖12，有效塑性應變云圖見圖13，觀察冰刀的損傷變形情況可知，冰刀部分僅在和海冰碰撞擠壓邊緣處產(chǎn)生較高應力值，其變形也僅發(fā)生于極微小區(qū)域，船冰碰撞過程對冰刀的損壞基本可以忽略不計。

圖12 冰刀Von Mises應力云圖

圖13 冰刀有效塑性應變云圖

3 結(jié)論

航行于極地冰區(qū)船舶，可通過加裝船艏冰刀的方式，改善船冰碰撞過程中船舶艏部碰撞損傷變形，緩解船舶動能損失和船速下降情況，降低船舶“卡冰”發(fā)生可能性。加裝船艏冰刀在一定程度上保證了船舶航行安全性，但其對船體重量重心位置的影響和施工工藝的要求必須考慮。