冰體質量和撞擊角度對船首結構碰撞性能的影響

張 健 ，王甫超，2*，劉海冬，杜成忠

(1.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，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;4.江蘇新揚子造船有限公司,江蘇 靖江214500)

0 引 言

我國國民經濟正持續快速發展，海洋經濟已成為我國國民經濟的新增長點。開通北極航道將有助于我國減少對傳統航道的依賴，減少航運成本，縮短航行時間，降低航運安全風險，進一步推動我國北極戰略部署，但海冰與海上結構物相互作用問題、海冰對結構操作和安全問題也日益突出。我國對于極地原油運輸船、極地甲板運輸船等方向的研究還處于起步階段，開展對船-冰碰撞的研究不僅有利于保護人員財產安全，防止海洋污染，還能為開辟極地航道提供理論依據。

針對船-冰碰撞對船首結構的影響，前人已做了大量研究。張充霖[1]應用大型有限元軟件MSC.Dytran計算渤海地區3種不同形狀的海冰與一艘典型散貨船首部碰撞時的動態響應，對3種碰撞工況下船首結構的碰撞力大小、構件吸能情況和損傷變形情況進行分析，得出船-冰碰撞下船首構件的失效規律和能量吸收機制受冰體形狀的影響。張健等[2]利用數值仿真的方法,通過變化撞擊參數(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船舶構件的動態響應差異,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,進而科學地得出冰體形狀、冰體質量、船速等撞擊參數對船-冰碰撞的影響機理。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態結構響應,分析船首結構的變形損傷、碰撞冰力的大小和結構吸能等特性。

本文利用ANSYS建立一艘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，研究在不同冰體質量、碰撞角度等撞擊參數下的結構響應問題，得到冰載荷下船首結構的損傷變形、碰撞力等方面的變化特征，對分析船舶與冰體的碰撞性能具有參考價值。

1 船-冰有限元模型

1.1 材料模型

為真實模擬碰撞過程中船體材料的特性，參考文獻[4]，選用線性強化的Cowper-Symonds彈塑性模型作為材料本構模型，其基本參數如表1所示。國內外學者在對船-冰碰撞進行數值仿真研究時，普遍認為很難建立海冰的本構模型，因為海冰材料受自然因素影響較大，比如氣候、溫度、鹽度等。根據收集整理的資料[5]，選擇國內外學者普遍使用的冰體本構模型，該材料模型不僅可以考慮應變率對von Mises失效應力、切線模量和彈性模量的影響，還能夠考慮屈服應力受應變率的影響。冰體材料參數如表2所示。

表1 船體鋼的塑性材料參數

表2 冰體材料參數

1.2 有限元模型

選取一艘極地航行油船首部作為研究對象，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構。油船首部碰撞區域的結構較復雜，包含甲板平臺、船體外板、舷側縱骨、水密艙壁、橫框架、桁材等，在建立模型時盡可能使用板單元進行模擬[6]。船首結構有限元模型如圖1所示。雖然冰山形狀各異，但是船-冰碰撞的接觸區域具有局部性，遠離碰撞區域的冰體形狀對船-冰碰撞仿真計算結果影響不大。借鑒挪威船級社推薦的冰山數值仿真形狀[7]，在ANSYS中建立正方體冰體模型如圖2所示。

圖1 船首網格劃分圖

圖2 冰體模型圖

1.3 碰撞方案

在船舶實際碰撞過程中，撞擊參數具有多樣性[8]。從冰體質量、撞擊角度研究船舶碰撞結構響應，使用侵蝕接觸模擬舷側與冰山表面的接觸。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 計算結果

2.1 冰體質量對船-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間變化曲線。由圖4可知，碰撞過程持續1 s左右，由于在碰撞過程中船體與冰體發生沖撞擠壓作用，碰撞力呈現明顯的非線性特征，在碰撞過程的不同階段船體結構出現了不同程度的卸載現象，伴隨有多個峰值出現。值得指出的是，某種構件或者冰體的失效或破壞都以碰撞力的卸載反映出來，因此碰撞力會在一定程度上反映構件失效情況和結構強弱程度。對比分析3種碰撞工況，可以得到船冰首次接觸的時間基本在0.01 s左右。邊長為6 m的冰體在0.98 s時的碰撞力達到最大峰值110 MN，邊長為12 m的冰體在0.85 s時的碰撞力達到最大峰值219 MN，邊長為24 m的冰體在0.71 s時的碰撞力達到最大峰值271 MN。船-冰碰撞的碰撞力峰值隨冰體質量的增大而增大，碰撞力峰值產生的時刻也隨之提前。

圖4 不同工況下碰撞力時歷曲線

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構損傷的形態與特征，選取碰撞過程中一系列典型的有效塑性應變與變形圖。圖5和圖6為船首外板及舷側縱骨在1 s時刻的變形損傷和應力分布情況：球鼻艏的碰撞區域受到擠壓產生彎曲變形，舷側縱骨及船首外板被冰體擠壓彎曲變形嚴重；船舶受邊長為6 m的冰體撞擊后，船體結構損傷變形區域主要分布在與冰體碰撞區域，局部高應力區域分布與變形區域保持一致，舷側縱骨和船首外板損傷變形不嚴重；隨著冰體質量的增大，舷側縱骨和船首外板產生嚴重的撕裂、彎曲及凹陷，船首結構損傷程度逐漸增大。從圖7可知，與船首接觸區域的冰體也產生了大量的破碎、失效現象，冰體質量越大，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力分布圖

圖6 不同冰體尺寸下舷側縱骨的變形損傷和應力分布圖

圖7 不同工況下冰體變形損傷和應力分布圖

2.2 撞擊角度對船-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。當角度為0°時，碰撞力峰值為219 MN；當角度為30°時，碰撞力峰值為182 MN；當角度為60°時，碰撞力峰值為109 MN。當船冰的撞擊角度不斷增大時，船首與冰體正面的碰撞接觸面積不斷減小，當增大到一定角度時，船舶肩部與冰體棱角碰撞，由于肩部結構強度不及艏部，船體會被冰體棱角迅速劃破，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。因此，船-冰碰撞的碰撞力峰值隨著撞擊角度的增大而減小，碰撞力峰值產生的時刻也隨之提前。

從圖9可以看出不同撞擊角度下冰體與船體結構損傷的形態與特征。當碰撞角度為0°時，冰體被撞擊并伴隨著大量的破碎，球鼻艏的碰撞區域被冰體擠壓產生了較明顯的變形。當碰撞角度為60°時，船首與冰體正面的碰撞接觸面積減小，此時船首外板被冰體棱角劃割，由于肩部結構強度不及艏部，船體會被冰體棱角迅速劃破，對船體內結構造成破壞，在這種碰撞情形下，船體的損傷比較嚴重。因此，在冰區航行的船舶與冰山碰撞不可避免時，應避開冰體棱角。從冰體的破碎情況可知，碰撞角度越大，冰體破碎越小，同時冰體與船首的接觸位置隨碰撞角度的改變而發生變化。

圖8 不同角度下碰撞力曲線對比圖

圖9 不同撞擊角度下船首外板和冰體的變形損傷及應力分布圖

3 結 論

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

(2)在船-冰碰撞過程中，船體結構與冰體損傷具有明顯的局部性。隨著冰體質量增大，船首結構損傷程度逐漸增大，船首外板和舷側縱骨產生了巨大的撕拉、彎曲和凹陷。隨著撞擊角度增大，船首結構凹陷程度減小，但會出現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，冰體損傷越嚴重。