劉俊杰，劉 昆，從曙光，董海波，夏勁松

（1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082；2.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

全球氣候變暖引起北極冰川消融，北極航道已逐漸開(kāi)通。作為海上主要交通工具的船舶，在極地航道利用和資源開(kāi)發(fā)等方面，發(fā)揮著不可替代的作用。然而，船舶在極地航行、作業(yè)時(shí)會(huì)面臨海冰碰撞的威脅，船-冰碰撞輕者會(huì)造成船體結(jié)構(gòu)變形，重者會(huì)造成船體殼板破裂，引起艙室進(jìn)水，導(dǎo)致船舶在冰區(qū)被困甚至沉沒(méi)。1912年4月，英國(guó)巨型游輪泰坦尼克號(hào)與冰山碰撞，引起船體破裂、進(jìn)水，導(dǎo)致船體斷裂、沉沒(méi)，造成1500余人喪生。2019年1月，我國(guó)雪龍?zhí)枠O地考察船與冰山發(fā)生碰撞，造成船艏桅桿斷裂，船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)輕微受損。

隨著極地開(kāi)發(fā)熱潮的到來(lái)，極地船舶結(jié)構(gòu)安全已成為關(guān)注熱點(diǎn)。針對(duì)船-冰碰撞結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)的研究工作已經(jīng)開(kāi)展，Liu 等[1]采用顯式非線性程序LS-Dyna 對(duì)船舶與冰山碰撞的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了船-冰碰撞力的變化規(guī)律和冰山破碎規(guī)律。Ince等[2]提出了一種先進(jìn)的模擬船舶與冰脊碰撞的非線性有限元計(jì)算方法，并通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。Kim 等[3]采用有限元方法對(duì)船舶在碎冰場(chǎng)中航行時(shí)海冰-結(jié)構(gòu)物以及海冰-海冰之間的相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬。張健等[4-5]采用非線性有限元法，對(duì)船-冰碰撞進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了船艏以不同速度與不同形狀和質(zhì)量的冰體發(fā)生碰撞時(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)特性，揭示了結(jié)構(gòu)損傷變形、碰撞力和能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律，并開(kāi)展了水介質(zhì)中船體板架與冰體碰撞模型實(shí)驗(yàn)。然而，對(duì)船舶抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)研究開(kāi)展較少，冰區(qū)船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)文獻(xiàn)[6-8]。李丹等[9]通過(guò)在船體涉冰帶舷側(cè)外板增加肋骨和縱骨數(shù)量的方法，提出了兩種LNG船舷側(cè)抗冰撞結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案，盡管起到了抗冰效果，但是由于構(gòu)件數(shù)量的增加，帶來(lái)了船體重量增加的問(wèn)題。陳聰[10]提出了Ⅰ型和Ⅴ型兩種夾層板新型抗冰撞結(jié)構(gòu)型式，通過(guò)與傳統(tǒng)船體結(jié)構(gòu)對(duì)比，驗(yàn)證了其抗冰效果，但未給出夾層板與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)重量的差異，并且這類夾層板抗撞結(jié)構(gòu)在實(shí)船應(yīng)用中會(huì)面臨加工工藝要求高、焊接和制造難度大等問(wèn)題。

本文中，以一種涉冰帶船肩處傳統(tǒng)板架結(jié)構(gòu)為原型，采用新型方槽型縱骨替代原有縱骨，利用落錘沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)新型抗冰結(jié)構(gòu)板架和原型板架開(kāi)展模型實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，研究結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)特性和抗冰效果。

1 抗冰結(jié)構(gòu)方案

1.1 船體原型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

船體原型結(jié)構(gòu)為大型水面艦船左舷水線附近船肩處局部加筋板架，為了減小模型加工難度，忽略船體外板曲率，將它簡(jiǎn)化成平板加筋板架，如圖1所示。該加筋板架由船體外板、肋骨和縱骨3類構(gòu)件組成，其中肋骨為T 型材，縱骨為角鋼，板架主尺度為長(zhǎng)1 500 mm、寬（船體垂向）2 800 mm、縱骨間距360 mm。

圖1 船體原型結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化加筋板架結(jié)構(gòu)Fig.1 Hull structure and simplified stiffened plate structure

1.2 抗冰結(jié)構(gòu)方案

船舶原型結(jié)構(gòu)上進(jìn)行抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮3個(gè)主要約束條件：（1）應(yīng)當(dāng)保證新結(jié)構(gòu)型式的應(yīng)用不影響船舶在敞水區(qū)域波浪載荷環(huán)境下的結(jié)構(gòu)性能，即應(yīng)用對(duì)象船體總縱強(qiáng)度和受局部砰擊載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不小于原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；（2）新結(jié)構(gòu)型式的應(yīng)用不會(huì)造成船體結(jié)構(gòu)增重，從而帶來(lái)建造成本增加；（3）新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不會(huì)引起船舶加工、建造難度的顯著增加。

綜合考慮上述約束條件及船舶與冰層碰撞載荷的作用特征，本文中主要對(duì)加筋板架結(jié)構(gòu)的縱骨進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。目前，船舶結(jié)構(gòu)中常用的縱骨類型主要有角鋼、球扁鋼和T型材，在對(duì)采用多種型式橫截面縱骨板架結(jié)構(gòu)抗冰效果的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比的基礎(chǔ)上，提出了一種新型方槽型截面縱骨，用以替代原結(jié)構(gòu)中的角鋼截面縱骨，兩種縱骨橫截面面積基本相等，既能保證新抗冰板架結(jié)構(gòu)的重量與原結(jié)構(gòu)相近，也能保證船體在承受波浪載荷下的船體板架及縱骨應(yīng)力響應(yīng)不小于原結(jié)構(gòu)。圖2為新型方槽型縱骨抗冰板架結(jié)構(gòu)及縱骨橫截面。

圖2 方槽型縱骨抗冰板架結(jié)構(gòu)和縱骨橫剖面Fig.2 An anti-ice plate structure with square groove longitudinals and its transverse section

表1 原型縱骨與方槽型縱骨結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of structural parameters between two kinds of longitudinals

2 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

利用落錘沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如圖3所示，其主要由電器操作系統(tǒng)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、主機(jī)框架、錘體結(jié)構(gòu)、試件支座裝置等組成。主體高6.3 m，錘頭距支座的距離可在0～3.7 m 范圍內(nèi)調(diào)整，因此，該裝置的最大撞擊速度可達(dá)到8.5 m/s。錘體系統(tǒng)的最大質(zhì)量為1 350 kg，包含12個(gè)12.5 kg 的配重塊，可以用來(lái)調(diào)節(jié)落錘的撞擊質(zhì)量。試件支撐裝置直接與地基連接并具備足夠的剛度，實(shí)驗(yàn)板架四周焊接在支座內(nèi)邊緣上，以保證提供足夠強(qiáng)的剛性約束，可有效降低分析時(shí)邊界模擬的復(fù)雜性。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置和試件固定支座Fig.3 Experimental system and supporter for fixing specimens

利用上述實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展冰體撞擊船體板架結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需將錘頭用冰體代替，并且固定在錘體上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需撞擊速度，將錘體提升至指定高度，然后釋放，自由下落撞擊固定在支座上的板架結(jié)構(gòu)。通過(guò)測(cè)量落錘的加速度變化，可推算撞擊過(guò)程中的撞擊力變化，采用激光位移跟蹤器測(cè)量受撞板架的結(jié)構(gòu)變形量。

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

綜合考慮實(shí)驗(yàn)裝置支座的尺度、板架邊界條件對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響及抗冰效果驗(yàn)證需求等，實(shí)驗(yàn)加筋板架模型采用混合縮尺比（主尺度比例λ =1∶3，板厚比例 λ =1∶4）對(duì)原型板架和抗冰板架結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮尺，并在邊界上作適當(dāng)延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)板架模型采用普通船用鋼Q235制作，如圖4～5所示，模型主尺度為長(zhǎng)1 000 mm、寬（船體垂向）1 000 mm、縱骨間距120 mm。

圖4 原型加筋板架Fig.4 A prototypestiffened plate

圖5 抗冰加筋板架Fig.5 An anti-ice stiffened plate

冰體錘頭實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠脤Ｓ媚＞卟⒉捎米詠?lái)水凍結(jié)而成。如圖6所示，錘頭為錐形剖面，冰體錘頭的質(zhì)量為17.15 kg。實(shí)驗(yàn)前對(duì)冰體主要力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，用于數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)使用。

圖6 冰體錘頭實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.6 The experimental model of the ice hammer head

3 實(shí)驗(yàn)工況及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)工況

采用兩種撞擊速度（冰體落體高度）開(kāi)展原型結(jié)構(gòu)板架和抗冰結(jié)構(gòu)板架的實(shí)驗(yàn)：工況1的冰體落體高度為2.8 m，對(duì)應(yīng)的撞擊速度為7.41 m/s；工況2的冰體落體高度為3.2 m，對(duì)應(yīng)的撞擊速度為7.92 m/s。實(shí)驗(yàn)前，冰體錘頭垂直于板架平面，且兩者重心在同一垂線上，模型狀態(tài)及冰體在板架模型上的撞擊位置如圖7所示。通過(guò)調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置中卸力彈簧高度（見(jiàn)圖3），可以防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因冰體破碎而造成鋼質(zhì)錘體撞擊到板架模型。

圖7 實(shí)驗(yàn)前模型狀態(tài)和板架受冰體撞擊區(qū)域Fig.7 The model state beforeexperiment and theimpact zone on thestiffened plate

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖8為板架受撞過(guò)程中的冰體破碎現(xiàn)象，可以看出，隨著冰體與板架的接觸，冰體瞬間碎裂，并向四周崩射，受撞區(qū)板架產(chǎn)生了明顯的凹陷。

圖8 撞擊過(guò)程中的冰體破碎過(guò)程Fig.8 Ice breaking in theprocessof impact

對(duì)實(shí)驗(yàn)后板架的外板垂向變形量進(jìn)行測(cè)量，圖9～10為工況1原型結(jié)構(gòu)板架和抗冰結(jié)構(gòu)板架的變形狀態(tài)。由圖可見(jiàn)，在冰體撞擊下板架產(chǎn)生了塑性變形，受撞區(qū)外板產(chǎn)生凹陷，原型結(jié)構(gòu)中間縱骨腹板發(fā)生失穩(wěn)傾倒，基本喪失承載能力，而抗冰結(jié)構(gòu)方槽型縱骨變形程度較輕，具有更優(yōu)的抗冰效果。以外板水平面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以縱向（縱骨方向）為x軸、橫向（垂直于縱骨方向）為y軸，建立坐標(biāo)軸，圖11為兩種板架外板中間縱向和橫向變形對(duì)比圖，可以看出，外板中間縱向結(jié)構(gòu)變形呈U 形，而橫向結(jié)構(gòu)變形呈V 形，這種變形特征與冰體的形狀有關(guān)。從撞擊造成的外板凹陷程度對(duì)比，原型和抗冰結(jié)構(gòu)板架外板最大凹陷深度分別為74.4和69.5 mm，表明抗冰結(jié)構(gòu)可以減小冰體撞擊造成的船體殼板變形，具有一定的抗冰效果。工況2測(cè)得的原型和抗冰結(jié)構(gòu)板架外板最大凹陷深度分別為80.4和77.0 mm，可以得到與工況1相同的結(jié)論。

圖9 原型結(jié)構(gòu)板架變形Fig.9 Structural deformation of the prototypestiffened plate

圖11 外板凹陷變形量Fig. 11 Shell plate depression

通過(guò)布置在錘體上的加速度傳感器，測(cè)得工況1中撞擊引起的錘體加速度變化如圖12所示?？梢钥闯?，加速度呈明顯的非線性特征，發(fā)生一次較大、明顯的脈沖現(xiàn)象，加速度在上升過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)多次小峰值卸載現(xiàn)象，這是由于冰體的破碎失效引起的。加速度響應(yīng)主要集中在0～0.06 s，表明冰體撞擊板架是一個(gè)瞬態(tài)動(dòng)響應(yīng)過(guò)程。在0.07 s后加速度出現(xiàn)了震蕩現(xiàn)象，由實(shí)驗(yàn)錄像發(fā)現(xiàn)，引起這種現(xiàn)象的主要原因是冰體破碎后錘體兩端與卸力彈簧發(fā)生了接觸，造成錘體垂向上的震蕩，并非冰體撞擊板架引起。根據(jù)公式F=ma可以計(jì)算板架受到的冰體撞擊力，其中冰頭和錘體的總質(zhì)量m為1 367.15 kg。由于相同工況下撞擊物的質(zhì)量相同，因此，兩種板架受到的撞擊力的對(duì)比可直接通過(guò)錘體加速度進(jìn)行對(duì)比?？梢钥闯觯捎梅讲坌涂v骨抗冰結(jié)構(gòu)板架受到的撞擊力大于原型結(jié)構(gòu)板架，表明該抗冰結(jié)構(gòu)提高了受撞區(qū)板架的剛度。圖13為兩種工況下抗冰結(jié)構(gòu)板架受撞引起的錘體加速度變化，可見(jiàn)撞擊速度越高，撞擊產(chǎn)生的加速度變化最大峰值越大，即撞擊力越大。

圖12 不同板架結(jié)構(gòu)錘體的加速度曲線Fig.12 Acceleration curvesof hammers with different plates

圖13 不同工況下錘體的加速度曲線Fig.13 Acceleration curves of hammers in different cases

4 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

采用MSC.Dytran 程序，對(duì)撞擊速度較高的實(shí)驗(yàn)工況2進(jìn)行數(shù)值模擬。圖14～15分別為原型結(jié)構(gòu)板架和抗冰結(jié)構(gòu)板架外板凹陷變形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果對(duì)比，可以看出，兩者的外板變形特征相似。原型結(jié)構(gòu)板架外板最大凹陷深度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果分別為80.4和73.3 mm，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，數(shù)值模擬結(jié)果相差8.83%；抗冰結(jié)構(gòu)板架外板最大凹陷深度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果分別為77.0和69.5 mm，數(shù)值模擬結(jié)果相差9.74%。數(shù)值模擬結(jié)果同樣表明，抗冰結(jié)構(gòu)可以減小冰體撞擊造成的船體殼板變形，具有抗冰效果。

圖14 原型結(jié)構(gòu)板架變形實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.14 Comparison of prototype structural deformation between experiment and simulation results

圖16為冰體撞擊兩種板架產(chǎn)生撞擊力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果對(duì)比，可以看出，兩種撞擊力曲線變化特征相似，撞擊持續(xù)時(shí)間約為0.06 s，撞擊力曲線具有明顯的非線性特征。冰體撞擊板架過(guò)程中，撞擊力整體呈現(xiàn)一次明顯的大型脈沖，并伴隨著多次因冰體破碎失效引起的撞擊力峰值卸載。冰體撞擊原型結(jié)構(gòu)板架的撞擊力最大值實(shí)驗(yàn)結(jié)果為359.6 kN，模擬結(jié)果為295.1 kN，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，模擬結(jié)果相差17.94%；冰體撞擊抗冰結(jié)構(gòu)板架的撞擊力最大值實(shí)驗(yàn)結(jié)果為373.4 kN，模擬結(jié)果為321.7 kN，模擬結(jié)果相差13.85%。對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的撞擊力響應(yīng)特征，數(shù)值模擬可以得到與實(shí)驗(yàn)相類似的結(jié)論。

圖15 抗冰結(jié)構(gòu)板架變形實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.15 Comparison of anti-ice structural deformation between experiment and simulation results

圖16 撞擊力的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比Fig.16 Comparison of impact forces between experiment and simulation results

模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偏差，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因很多，如數(shù)值模型無(wú)法真實(shí)模擬實(shí)際板架結(jié)構(gòu)的初始變形和缺陷等、冰體材料力學(xué)特性的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，還有本文中撞擊類動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)本身也存在諸多不確定性因素。但是，上述實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，數(shù)值模擬方法可以模擬船-冰碰撞過(guò)程中結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)的主要特征，因此可在工程實(shí)際中應(yīng)用。

5 結(jié) 論

針對(duì)船-冰碰撞引起的船體結(jié)構(gòu)損傷問(wèn)題，提出了一種方槽型縱骨抗冰板架結(jié)構(gòu)，通過(guò)冰體落體撞擊板架實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的抗冰效果，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

（1）采用新型方槽型縱骨替換船體原傳統(tǒng)縱骨，能提高船體板架抵抗冰體碰撞的能力，該抗冰結(jié)構(gòu)基本不會(huì)造成船體重量增加，也不會(huì)影響船體其他結(jié)構(gòu)性能。

（2）船-冰碰撞屬于動(dòng)態(tài)過(guò)程，因冰體的脆斷特性，撞擊力作用時(shí)間較短且撞擊力非線性特征非常明顯。冰體撞擊速度越大，船體板架產(chǎn)生的撞擊力也越大，相同冰體撞擊工況下抗冰結(jié)構(gòu)板架受到的撞擊力略大于原型結(jié)構(gòu)板架，表明方槽型縱骨提高了船體局部板架的剛度。

（3）船體板架在冰體撞擊下會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，受撞區(qū)外板會(huì)產(chǎn)生凹陷，撞擊速度越高，凹陷程度越嚴(yán)重。冰體撞擊實(shí)驗(yàn)中，受撞區(qū)原型結(jié)構(gòu)板架的縱骨腹板發(fā)生失穩(wěn)傾倒，基本喪失承載能力，而抗冰結(jié)構(gòu)方槽型縱骨變形程度較輕，仍具承載能力，表明抗冰效果明顯。相同冰體撞擊工況下，抗冰結(jié)構(gòu)外板凹陷程度小于原型結(jié)構(gòu)，可對(duì)船體內(nèi)部構(gòu)件或設(shè)備起到防護(hù)作用。