基于ANSYS/LS-DYNA的船冰碰撞數值分析

楊金超， 朱發新， 吳文鋒， 盧金樹， 王帥軍， 楊朋朋， 張 敏

(1.浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院， 浙江 舟山316022； 2.舟山市敏瑞科技咨詢有限公司， 浙江 舟山316022)

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基于ANSYS/LS-DYNA的船冰碰撞數值分析

楊金超1， 朱發新1， 吳文鋒1， 盧金樹1， 王帥軍1， 楊朋朋1， 張 敏2

(1.浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院， 浙江 舟山316022； 2.舟山市敏瑞科技咨詢有限公司， 浙江 舟山316022)

在極地海域復雜環境下，船舶在長距離航行中一旦與冰山或大冰塊發生碰撞，極短時間內會產生巨大的沖擊載荷，可能造成非常嚴重的海上事故等。運用有限元分析法，借助有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對相關船舶球鼻艏與冰的碰撞情況進行數值分析，得到船舶球鼻艏結構的能量-時間關系曲線，以及碰撞力-時間關系曲線，并對各種碰撞參數所導致的結果進行定性的分析和討論，得到不同初速度的船與冰碰撞以及不同噸位的船與冰碰撞對船舶球鼻艏破損情況的影響，對船冰碰撞領域的研究有一定的指導意義。

有限元分析；ANSYS/LS-DYNA；仿真；船冰碰撞

0 引言

隨著全球不斷變暖，人類對極地的開發也逐漸深入，在夏季極地航行已經成為現實。同時，隨著航行船只的不斷增加，船舶與海冰碰撞的可能性也隨之增加。極地海域環境復雜，即使在夏季也有冰山或大冰塊。船舶在長距離航行中，一旦與冰山或大冰塊發生碰撞，有可能造成非常嚴重的海上事故。

通過數值仿真法和基于能量的分析法，BROWN等[1]和DALEY等[2]研究了靜止船舶與一定速度的球形冰山的橫向碰撞問題。在數值仿真法中，分別將冰山和船-冰接觸面簡化成球形和圓形，船被處理成垂直舷側的情形。在能量分析法中，假定動能全部轉化成冰的破碎能，在這個過程中，由于船和冰都存在著相對運動，故在碰撞過程中存在著較大的能量損失等問題與不足。

WANG等[3]基于Dytran軟件，對LNG船與可壓碎冰碰撞建模，進行非線性動態有限元分析，建立具有彈性和可塑性的LNG整船模型，同時建立一塊可壓碎并在一定條件下會發生材料失效的浮冰模型，由Dytran軟件模擬出船舶與冰塊碰撞發生的變形和失效形態以及接觸面上的接觸力。通過對LNG船的局部模型加載靜態冰載荷，研究并分析船體結構的承載能力，但也存在船體結構中的不同構件有的會發生大塑性變形，有的會遭受失穩破壞等問題與不足[4-7]。

船舶與海冰碰撞是船冰結構在極短時間內受巨大沖擊載荷作用下的一種復雜非線性動態響應過程，存在著大量的非線性問題，如接觸非線性和運動非線性等。這些特點使船冰碰撞問題的研究變得相當復雜和困難，需要綜合應用船舶水動力學、塑性力學、斷裂力學和結構可靠性等方面的知識。如今，挪威、加拿大等國家對于船舶與海冰碰撞問題的研究在國際上處于領先地位，其研究方法大致分為4種：簡化解析或經驗公式，模型試驗，數值仿真，實船事故調查，其中，模型試驗更為實用。因此，開發冰區安全航行軟件，要求該有限元軟件能預測冰的負荷，可以通過直接的方式評估船舶能否在該冰區安全航行。設計不同的船舶速度，不同的冰厚度，漂移角度，橫搖角度等碰撞模型，對各種情況下船殼的受力和變形情況進行分析，了解船舶球鼻艏結構在整個碰撞過程中受到的碰撞力、展現的吸能特性和損傷情況是很有必要的[8-12]。

1 ANSYS/LS-DYNA簡介

有限元分析是使用有限元方法來分析靜態或動態的物理物體或物理系統。這種方法廣泛應用于分析彈性力學碰撞等問題。

ANSYS/LS-DYNA是一種高度非線性動力學分析軟件，是一個以顯式為主、隱式為輔的通用非線性動力分析有限元程序，對于各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成形等非線性問題可以很好地求解。軟件以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法。

2 有限元模型建立

2.1 相似準則

相似準則是基于參考模型和縮減比例模型在幾何尺度方面保持相似, 且迎角相同，以及流場和碰撞過程中能量平衡也相似等作為指導船冰碰撞模擬試驗時選取試驗材料所需條件的理論依據。

2.2 邊界參數設置

在船冰碰撞完成后，撞擊的船舶船艏可能會發生較大的塑性變形。為了簡化計算，減少CPU的運算時間，船舶單元以SHELL 163單元建模。該單元設為4節點的薄殼單元，同時具有彎曲和膜的特征，可以同時施加平面載荷和法向載荷。船的主要結構為鋼板,在ANSYS/LS-DYNA中,選用的材料屬性為塑性動態模型(Plastic Kinematic Model)，并考慮應變率效應(其參數設置見表1)。冰材料選用SOLID 164實體單元，該單元有8個節點構成，只用于動力顯式分析，支持所有的非線性特性。對于冰材料的參數設置，根據挪威科技大學LIU等、韓國LEE等、美國WANG等人的研究成果(見文獻[3-7])，參考相關論文定義冰體的材料模型(模型參數設置見表2)。

表1 塑性動態材料模型的參數設置

表2 冰體材料模型的參數設置

2.3 船艏三維實體模型建立

船冰碰撞是一個極其復雜的動態過程。若要按照船舶的實際圖紙構造搭建模型，不僅會導致工作量劇增，而且在使用有限元模型計算時，將會導致計算規模超出計算機的內外存限制，最終使得計算失敗。為了減輕工作量，并在滿足一定工程精度的前提下，對船舶采用附加質量法。由于撞擊部位為船艏，建立模型過程中，對船艏部分重點建立模型，而對于其他船體部位選用附加質量法。方法主要是通過補差值法(即船體總載重M1-船體模型M2)得到剩余船體的質量，在有限元中賦予剩余部分合理的密度，將其附加上去。該模型采用4面體型、金字塔型、棱柱型劃分網格，選用SOLID95單元，劃分精度為3級。在船艏的有限元模型中，共有6 374個節點、73 418個有限單元。船艏的有限元模型如圖1所示。

圖1 船艏模型

2.4 冰材料模型建立

本文參考挪威船級社(DNV)針對仿真計算所推薦的冰山形狀，用立方體模擬冰山，正方體的側表面用以模擬碰撞區為平面的冰體。立方體的邊長是20m，如圖2所示。

圖2 冰體模型

3 船冰碰撞數值仿真

3.1 邊界條件設定

在有限元方法中，網格的劃分精度直接影響著計算的準確性，同時不均勻的網格劃分極易導致產生沙漏(沙漏模態是指單點積分單元容易產生的零能模式，它是一種比結構全局響應高得多的頻率振蕩零能變形模式)。

通常來說，網格劃分越細越密越小、節點越多、精度越高，計算的結果往往越接近于真實情況，但這樣的網格劃分會使計算機的計算時間大幅延長。為了得到較為準確的結果，需要綜合考慮網格劃分的精度以及計算機的計算時間。

對于球鼻艏直接參與碰撞的船體模型，球鼻艏部分網格需要劃分密集，其次是船頭部分，而對于直接不參與碰撞的附加船體部分網格劃分較粗。對于冰的網格劃分，根據計算精度和計算時間選用合適的網格大小進行劃分，如圖3所示。

圖3 網格劃分

3.2 數值仿真方案設計

在研究船舶的初速度對船冰碰撞結果的影響中，分別模擬同一噸位的船以不同速度以及不同噸位的船以同一速度進行碰撞的情況。在分析同一噸位的船以不同速度碰撞時模擬載重50 000t船舶分別以4m/s，6m/s和8m/s等3種速度與靜止于水面的冰體相撞；然后根據船舶球鼻艏的損傷情況，分析船舶速度對船冰碰撞結果的影響。在分析不同噸位的船以同一速度碰撞時，分別模擬載重23 000t和載重50 000t船舶以8m/s初速度與靜止于水面的冰體撞擊；然后根據船舶球鼻艏的損傷情況，分析船舶噸位對船冰碰撞的結果。 如表3所示。

表3 船冰碰撞情景的設定

3.3 數值仿真結果分析

3.3.1 不同初速度船冰碰撞的影響

分別對表3中的4種情況進行模擬，保持其他求解條件均不變，當碰撞角度為90°時，載重50 000 t船舶在3種速度下碰撞力情況如圖4所示。

圖4 模型1、模型2和模型3不同速度下碰撞力變化

從圖4中可知：50 000 t船舶分別以4 m/s，6 m/s和8 m/s的速度與冰體發生碰撞，船舶受到的碰撞力隨著速度的增加而增大。由此可見當船舶噸位相同時，船舶以較大速度碰撞時所產生的碰撞力更大，并且隨著速度的增加，碰撞力的變化幅度也越大。

表4是50 000 t船舶分別在碰撞速度為 4 m/s，6 m/s 和8 m/s 時，船體動能的變化情況。

表4 模型1、模型2和模型3不同速度時的動能變化

從表4中可以發現，動能的變化量隨著速度的增大而增大。此時動能主要損失的形式為冰體的動能、船體的變形能、冰體破碎消耗的能量以及少量的摩擦能和沙漏能等。由于本文模擬的是船舶與冰山發生碰撞，且主要研究船舶球鼻艏碰撞的損傷情況，所以冰體的動能和破碎能可以忽略，主要分析船艏能量變化情況。圖5是不同速度碰撞下，船舶(模型1、模型2、模型3，下同)內能的變化情況，從圖5中可以明顯看出，在高速相撞條件下，船體所損失的動能基本上轉化為船舷側結構的塑性變形能，并且隨著碰撞時間的變長所轉化的船舶內能越多，船舶球鼻艏變形量越大。所以速度越大，船舶球鼻艏碰撞損傷越嚴重。

圖5 模型1、模型2和模型3不同速度下能量隨時間的變化

3.3.2 不同噸位船冰碰撞的影響

載重50 000 t(模型3)船舶和載重23 000 t(模型4)船舶以8 m/s的速度撞擊冰體所得到的碰撞力與時間的變化曲線，以及能量與時間的變化曲線分別如圖6和圖7所示。

圖6 模型3和模型4碰撞力與時間變化曲線

圖7 模型3和模型4能量與時間變化曲線

圖7為50 000 t船舶與23 000 t船舶的能量變化情況，船舶噸位越大船舶動能越大，與冰發生碰撞后船舶的變形能越多。所以在相同的速度下，大噸位船與冰山發生碰撞損傷程度比小噸位船要嚴重。

4 結論

根據仿真結果，由于船舶與冰體之間的相互作用力成線性正相關，船速越大時,兩者之間作用力越大，船頭所受到的擠壓力也越大，因此為了更好地研

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究與分析碰撞結構響應(損傷變形、碰撞力以及能量吸收等)，使計算結果特征更為明顯，數值仿真計算時應選擇以中速、高速碰撞為主。在其船舶與冰發生碰撞過程中，船舶噸位越大動能轉化的船舶變形能越多，因此為了更好地研究與分析碰撞結構響應，船舶噸位的選取在適當的范圍內較大較好。

上述的研究和模擬仿真都是在理想的條件下進行的，在研究過程中，對于速度方面沒有考慮到行進過程中的風流影響，只假定為理想條件；同時還采用了附加質量的方式以降低運算復雜度和節省CPU計算時間，這些都是以后研究過程中需要完善和改進的地方。

[ 1 ] BROWN R, DALEY C. Computer simulation of transverse ship-ice collisions[R]. 2010.

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Numerical Analysis on Ship-Ice Collision Based on ANSYS/LS-DYNA

YANG Jinchao1, ZHU Faxin1, WU Wenfeng1, LU Jinshu1, WANG Shuaijun1, YANG Pengpeng1, ZHANG Min2

(1.School of Port and Transportation Engineering， Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, Zhejiang, China; 2.Zhoushan Min-Rui Technology Consulting Co., Ltd., Zhoushan 316022, Zhejiang, China)

Concerning on the issues that once collisions happen between the ships and icebergs or ice cakes in a complicated environment of the polar maritime space in a long-distance navigation, it will be likely to cause very serious fortuitous accidents under the impact stress in a short time. According to the explicit finite element method, the situation about the collisions between bulbous bow and the ice is simulated and analyzed. Energy-time curve and colliding force-time curve of ship bulbous bow structure are obtained. The outcomes resulting from various impact parameters are analyzed and discussed. Influence upon the collisions occurring the ice and different initial velocity of ships as well as the ships with different tonnages is obtained. It is of certain directive significance for studying the field of ship-ice collision.

finite element analysis(FEA); ANSYS/LS-DYNA; simulation; ship-ice collision

浙江省自然科學基金項目(LQ14E090001,LQ16E090003,LY16E090003)；浙江海洋大學核心課程建設項目(X14H046)；2016年浙江省育苗人才計劃項目(YMJH201619)

楊金超(1987-)，男，本科，研究方向為船舶安全與污染控制

1000-3878(2017)03-0030-04

U661

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