張 健 ，王甫超，2*，劉海冬，杜成忠

(1.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，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;4.江蘇新?lián)P子造船有限公司,江蘇 靖江214500)

0 引 言

我國國民經(jīng)濟(jì)正持續(xù)快速發(fā)展，海洋經(jīng)濟(jì)已成為我國國民經(jīng)濟(jì)的新增長點(diǎn)。開通北極航道將有助于我國減少對(duì)傳統(tǒng)航道的依賴，減少航運(yùn)成本，縮短航行時(shí)間，降低航運(yùn)安全風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步推動(dòng)我國北極戰(zhàn)略部署，但海冰與海上結(jié)構(gòu)物相互作用問題、海冰對(duì)結(jié)構(gòu)操作和安全問題也日益突出。我國對(duì)于極地原油運(yùn)輸船、極地甲板運(yùn)輸船等方向的研究還處于起步階段，開展對(duì)船-冰碰撞的研究不僅有利于保護(hù)人員財(cái)產(chǎn)安全，防止海洋污染，還能為開辟極地航道提供理論依據(jù)。

針對(duì)船-冰碰撞對(duì)船首結(jié)構(gòu)的影響，前人已做了大量研究。張充霖[1]應(yīng)用大型有限元軟件MSC.Dytran計(jì)算渤海地區(qū)3種不同形狀的海冰與一艘典型散貨船首部碰撞時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)3種碰撞工況下船首結(jié)構(gòu)的碰撞力大小、構(gòu)件吸能情況和損傷變形情況進(jìn)行分析，得出船-冰碰撞下船首構(gòu)件的失效規(guī)律和能量吸收機(jī)制受冰體形狀的影響。張健等[2]利用數(shù)值仿真的方法,通過變化撞擊參數(shù)(碰撞速度、冰體形狀、碰撞位置等)研究極地船舶在撞擊冰山時(shí)船舶構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異,討論船舶與冰體碰撞工況下的損傷變形、碰撞力等變化特性,進(jìn)而科學(xué)地得出冰體形狀、冰體質(zhì)量、船速等撞擊參數(shù)對(duì)船-冰碰撞的影響機(jī)理。王健偉等[3]通過改變冰層厚度與船舶速度研究破冰船的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng),分析船首結(jié)構(gòu)的變形損傷、碰撞冰力的大小和結(jié)構(gòu)吸能等特性。

本文利用ANSYS建立一艘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，研究在不同冰體質(zhì)量、碰撞角度等撞擊參數(shù)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)問題，得到冰載荷下船首結(jié)構(gòu)的損傷變形、碰撞力等方面的變化特征，對(duì)分析船舶與冰體的碰撞性能具有參考價(jià)值。

1 船-冰有限元模型

1.1 材料模型

為真實(shí)模擬碰撞過程中船體材料的特性，參考文獻(xiàn)[4]，選用線性強(qiáng)化的Cowper-Symonds彈塑性模型作為材料本構(gòu)模型，其基本參數(shù)如表1所示。國內(nèi)外學(xué)者在對(duì)船-冰碰撞進(jìn)行數(shù)值仿真研究時(shí)，普遍認(rèn)為很難建立海冰的本構(gòu)模型，因?yàn)楹１牧鲜茏匀灰蛩赜绊戄^大，比如氣候、溫度、鹽度等。根據(jù)收集整理的資料[5]，選擇國內(nèi)外學(xué)者普遍使用的冰體本構(gòu)模型，該材料模型不僅可以考慮應(yīng)變率對(duì)von Mises失效應(yīng)力、切線模量和彈性模量的影響，還能夠考慮屈服應(yīng)力受應(yīng)變率的影響。冰體材料參數(shù)如表2所示。

表1 船體鋼的塑性材料參數(shù)

表2 冰體材料參數(shù)

1.2 有限元模型

選取一艘極地航行油船首部作為研究對(duì)象，因冰載荷下船體損傷具有局部性，故有限元模型只建立油船首部結(jié)構(gòu)。油船首部碰撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，包含甲板平臺(tái)、船體外板、舷側(cè)縱骨、水密艙壁、橫框架、桁材等，在建立模型時(shí)盡可能使用板單元進(jìn)行模擬[6]。船首結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。雖然冰山形狀各異，但是船-冰碰撞的接觸區(qū)域具有局部性，遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的冰體形狀對(duì)船-冰碰撞仿真計(jì)算結(jié)果影響不大。借鑒挪威船級(jí)社推薦的冰山數(shù)值仿真形狀[7]，在ANSYS中建立正方體冰體模型如圖2所示。

圖1 船首網(wǎng)格劃分圖

圖2 冰體模型圖

1.3 碰撞方案

在船舶實(shí)際碰撞過程中，撞擊參數(shù)具有多樣性[8]。從冰體質(zhì)量、撞擊角度研究船舶碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)，使用侵蝕接觸模擬舷側(cè)與冰山表面的接觸。碰撞方案如表3所示。

表3 碰撞方案

所有工況下的船舶初速度都為8 m/s。不同撞擊角度下的船-冰碰撞有限元模型如圖3所示。

圖3 船-冰碰撞模型圖

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為船舶在碰撞不同尺寸冰體過程中的碰撞力隨時(shí)間變化曲線。由圖4可知，碰撞過程持續(xù)1 s左右，由于在碰撞過程中船體與冰體發(fā)生沖撞擠壓作用，碰撞力呈現(xiàn)明顯的非線性特征，在碰撞過程的不同階段船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的卸載現(xiàn)象，伴隨有多個(gè)峰值出現(xiàn)。值得指出的是，某種構(gòu)件或者冰體的失效或破壞都以碰撞力的卸載反映出來，因此碰撞力會(huì)在一定程度上反映構(gòu)件失效情況和結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱程度。對(duì)比分析3種碰撞工況，可以得到船冰首次接觸的時(shí)間基本在0.01 s左右。邊長為6 m的冰體在0.98 s時(shí)的碰撞力達(dá)到最大峰值110 MN，邊長為12 m的冰體在0.85 s時(shí)的碰撞力達(dá)到最大峰值219 MN，邊長為24 m的冰體在0.71 s時(shí)的碰撞力達(dá)到最大峰值271 MN。船-冰碰撞的碰撞力峰值隨冰體質(zhì)量的增大而增大，碰撞力峰值產(chǎn)生的時(shí)刻也隨之提前。

圖4 不同工況下碰撞力時(shí)歷曲線

為更好地分析船舶以8 m/s的初速度撞擊不同尺寸冰體后船體結(jié)構(gòu)損傷的形態(tài)與特征，選取碰撞過程中一系列典型的有效塑性應(yīng)變與變形圖。圖5和圖6為船首外板及舷側(cè)縱骨在1 s時(shí)刻的變形損傷和應(yīng)力分布情況：球鼻艏的碰撞區(qū)域受到擠壓產(chǎn)生彎曲變形，舷側(cè)縱骨及船首外板被冰體擠壓彎曲變形嚴(yán)重；船舶受邊長為6 m的冰體撞擊后，船體結(jié)構(gòu)損傷變形區(qū)域主要分布在與冰體碰撞區(qū)域，局部高應(yīng)力區(qū)域分布與變形區(qū)域保持一致，舷側(cè)縱骨和船首外板損傷變形不嚴(yán)重；隨著冰體質(zhì)量的增大，舷側(cè)縱骨和船首外板產(chǎn)生嚴(yán)重的撕裂、彎曲及凹陷，船首結(jié)構(gòu)損傷程度逐漸增大。從圖7可知，與船首接觸區(qū)域的冰體也產(chǎn)生了大量的破碎、失效現(xiàn)象，冰體質(zhì)量越大，冰體破碎程度越小。

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

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

圖7 不同工況下冰體變形損傷和應(yīng)力分布圖

2.2 撞擊角度對(duì)船-冰碰撞的影響

圖8給出了不同碰撞角度下船-冰碰撞的碰撞力曲線。當(dāng)角度為0°時(shí)，碰撞力峰值為219 MN；當(dāng)角度為30°時(shí)，碰撞力峰值為182 MN；當(dāng)角度為60°時(shí)，碰撞力峰值為109 MN。當(dāng)船冰的撞擊角度不斷增大時(shí)，船首與冰體正面的碰撞接觸面積不斷減小，當(dāng)增大到一定角度時(shí)，船舶肩部與冰體棱角碰撞，由于肩部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不及艏部，船體會(huì)被冰體棱角迅速劃破，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。因此，船-冰碰撞的碰撞力峰值隨著撞擊角度的增大而減小，碰撞力峰值產(chǎn)生的時(shí)刻也隨之提前。

從圖9可以看出不同撞擊角度下冰體與船體結(jié)構(gòu)損傷的形態(tài)與特征。當(dāng)碰撞角度為0°時(shí)，冰體被撞擊并伴隨著大量的破碎，球鼻艏的碰撞區(qū)域被冰體擠壓產(chǎn)生了較明顯的變形。當(dāng)碰撞角度為60°時(shí)，船首與冰體正面的碰撞接觸面積減小，此時(shí)船首外板被冰體棱角劃割，由于肩部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不及艏部，船體會(huì)被冰體棱角迅速劃破，對(duì)船體內(nèi)結(jié)構(gòu)造成破壞，在這種碰撞情形下，船體的損傷比較嚴(yán)重。因此，在冰區(qū)航行的船舶與冰山碰撞不可避免時(shí)，應(yīng)避開冰體棱角。從冰體的破碎情況可知，碰撞角度越大，冰體破碎越小，同時(shí)冰體與船首的接觸位置隨碰撞角度的改變而發(fā)生變化。

圖8 不同角度下碰撞力曲線對(duì)比圖

圖9 不同撞擊角度下船首外板和冰體的變形損傷及應(yīng)力分布圖

3 結(jié) 論

(1)在船-冰碰撞過程中碰撞力均呈現(xiàn)明顯的非線性，碰撞力的波動(dòng)較連續(xù)且碰撞力增長快速。船-冰碰撞的碰撞力峰值隨冰體質(zhì)量的增大而增大，碰撞力峰值產(chǎn)生的時(shí)刻也隨之提前；船-冰碰撞的碰撞力峰值隨著撞擊的增大而減小，碰撞力峰值產(chǎn)生的時(shí)刻也隨之提前。

(2)在船-冰碰撞過程中，船體結(jié)構(gòu)與冰體損傷具有明顯的局部性。隨著冰體質(zhì)量增大，船首結(jié)構(gòu)損傷程度逐漸增大，船首外板和舷側(cè)縱骨產(chǎn)生了巨大的撕拉、彎曲和凹陷。隨著撞擊角度增大，船首結(jié)構(gòu)凹陷程度減小，但會(huì)出現(xiàn)冰體的棱角開始劃割船首外板的情況。

(3)冰體尺寸越小，撞擊角度越小，冰體損傷越嚴(yán)重。