基于船-水-冰耦合技術的撞擊參數對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，江蘇 鎮江 212003；2. 浙江大華技術股份有限公司，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，與浮冰發生碰撞可能性極大，船體結構可能出現破裂、屈曲等失效[1 – 3]。目前對于船冰碰撞的研究尚不充分，更很少有學者考慮周圍水的動力效應扮演的重要角色[4 – 5]。應用有限元軟件對海洋結構物進行動力分析，一般會采用3種方法：流固耦合法、等效船體梁法、附連水質量法。流固耦合算法是目前比較準確的有限元算法，劉昆等[6]考慮了船體與流場、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，對碰撞過程中2艘船的運動、碰撞力、結構損傷變形、能量轉化及各構件吸收情況進行了研究。

在實際船冰碰撞過程中，撞擊參數（撞擊位置、冰體質量、撞擊速度、撞擊角度）等存在很多情況，不同的情況組合對船體碰撞性能的影響不同[7]。因此，進一步開展冰體質量與碰撞角度對碰撞性能的影響有必要。本文利用Ansys建立1艘16萬噸級的油船首部模型，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-冰耦合技術及船體碰撞模型

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

1.1 流固耦合

在船冰碰撞過程中，周圍水域肯定會對其影響。在非線性有限元軟件中，為了解決歐拉網格與拉格朗日網格中的材料相互作用而引入流固耦合。如果不定義耦合關系，拉格朗日網格與歐拉網格相互獨立，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、自身結構等影響參數，盡可能模擬船冰碰撞真實場景而引入流固耦合算法。

1.2 碰撞模型

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

1.3 碰撞方案

在實際船舶碰撞過程中，撞擊參數具有多樣性。本文從冰體質量、撞擊角度來研究船舶碰撞結構響應，碰撞方案如表1所示。

圖1 船首網格劃分圖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 計算結果

2.1 冰體質量對船冰碰撞的影響

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，因此碰撞力均呈現明顯的非線性，碰撞力一致地以波動狀態逐漸上升，但可以看出冰體尺寸較小的碰撞力波動幅度較大，冰體尺寸較大的碰撞力波動幅度較緩，表明船-水-冰三者耦合過程中不斷地產生各種程度的載荷卸載。對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，船舶需

圖4 不同工況下碰撞力時歷曲線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，水介質中3種工況下的碰撞力曲線都以近似的波動趨勢快速增大，但是不同冰體尺寸下，船-水-冰碰撞產生的最大碰撞力及碰撞時刻有所差別。當冰體邊長為12 m時，碰撞力最大峰值為182 MN，碰撞時刻為1 s；當冰體邊長為18 m時，碰撞力最大峰值為243 MN，碰撞時刻為0.95 s；當冰體邊長為24 m時，碰撞力最大峰值為260 MN，碰撞時刻為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量級，隨著冰體質量的增大，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船首部結構的損傷及變形情況，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，船首外板及舷側縱骨及冰體在1 s時的變形損傷和應力分布情況。從圖中可以看出，在1 s時刻，船首外板及舷側縱骨都產生了不同程度的大變形，隨著冰體尺寸的增加，船首外板及舷側縱骨的變形損傷也不斷增大。當冰體邊長為12 m時，船首外板及舷側縱骨變形深度不算太大，變形區域主要分布在與冰體接觸的地方，局部高應力區域分布與變形區域保持一致；當冰體邊長增加到24 m時，船首結構損傷程度最為嚴重，船首外板和舷側縱骨產生了巨大的撕拉、彎曲及扭曲等形式的大變形。在碰撞過程中，船體的動能一部分轉化為船體結構的塑性變形能，一部分轉化為水的動能，同時還轉化為冰體的變形能等。從圖7可以看出，冰體也產生了大量的破碎、失效，從冰體的破碎狀態也可看出冰體破壞主要發生在船首與冰體接觸區域。當冰體厚度較小時，冰體的破碎程度較大，船體結構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，船首結構只能在一定程度上擠壓冰體，不容易使冰體快速產生破裂、失效。一定程度上水介質減緩了冰體對船體的損傷。

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 撞擊角度對船冰碰撞的影響

圖6 不同冰體尺寸下舷側縱骨的變形損傷和應力分布圖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-冰碰撞計算獲得的碰撞力曲線。撞擊角度的改變對碰撞力的走勢影響不大，但隨著碰撞角度的變大，碰撞力峰值在下降，同時每條碰撞力曲線出現波峰波谷的時間和次數是不同的，這是因為隨著角度的不斷增大，冰體正面與船首的接觸面積越來越小，冰體的接觸區域逐漸轉向船首肩部，冰體的棱角迅速劃破船體表面，由于肩部結構強度不及首部，碰撞力峰值逐漸減小，而且產生碰撞力峰值的時刻也逐漸提前。

圖7 不同工況下冰體變形損傷和應力分布圖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，船體外板產生了較大的損傷變形，當角度為0°時，2種碰撞模型的船首均產生了較明顯的變形，冰體也產生了大量的破碎。當碰撞角度為60°時，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，由于船首肩部的結構較首部弱，冰體很快就將船體刺破，對船體內結構進行破壞。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生了變化，該種情況對船體的損傷較大，船舶在行駛過程中要避開冰體的棱角。

3 結 語

1）采用船-水-冰耦合技術考慮了船冰碰撞過程中周圍流暢、自身結構等因素的影響，最大限度模擬了船冰碰撞真實場景，有效分析船冰碰撞過程中碰撞力與損傷變形情況，隨著計算機的不斷更新，將來必會成為船冰碰撞可取而又實用的方法。

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

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