低溫極端載荷作用下船艏結構損傷演化過程研究

趙南，汪高飛，葛辛辛，李飛，張占陽

（1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2.深海技術科學太湖實驗室，江蘇 無錫 214082）

北極圈油氣和各類礦產資源十分豐富，目前已經成為各國索取資源的供給基地[1]。同時，隨著全球氣候變暖和北極冰蓋融化進程的加速[2]，北極航道的通行窗口期將越來越長，人類在北極的各種商業、科學考察等活動也將更加頻繁。中國作為鄰近北極圈的重要大國和國際貿易強國，政治、經濟、科技等方面都受到北極環境變化的重大影響。針對這一現狀，我國也在積極應對，并于2018 年1 月發布了《中國的北極政策》白皮書[3]，目前已經承接部分冰區船訂單，并對大型冰區船舶進行了技術上的研制開發。

自20 世紀90 年代至21 世紀初，主要針對船-船碰撞、船-橋碰撞等開展了大量研究。Paik 等[4]開展了觸底狀態下船舶結構的耐撞性研究。李江濤等[5]開展了擱淺于剛性斜坡下船舶結構的耐撞性研究。趙南等[6-7]進行了補給作業船碰撞場景確定及損傷環境仿真分析。近10 余年來，針對極地環境，國內外學者也開展了大量實驗和仿真分析。劉俊杰等[8]開展了油船結構與浮冰碰撞仿真分析，獲得了油船結構響應。Bruce[9]、Kim[10]、Abdullah[11]、Martin[12]等開展了冰載荷作用下的板架結構損傷變形試驗和仿真分析，研究了冰載荷作用下加筋板的損傷變形情況等。袁光奇[13]開展了導管架平臺附近碎冰堆積過程模型試驗研究，揭示了碎冰堆積過程機理。黃焱等[14-15]、蔡柯等[16]、Antonio[17]、Holm[18]、Marnix[19]開展了船冰碰撞載荷模型試驗研究以及仿真技術研究等，得到了冰載荷時空分布規律及統計規律等。閆巖[20]基于數值仿真方法開展了冰載荷計算，并獲得了該載荷作用下加筋板結構的承載能力。Bahar[21]基于IACS 規范開展了FPSO 結構響應及失效機理。Abraham[22]、Mihkel[23]、Liu[24]等基于數值仿真方法開展了船冰相互作用下船體結構響應分析及承載能力研究。

總體來說，目前對于船舶在浮冰中航行的冰載荷特性、結構響應研究以及冰體與板架結構相互作用的模型試驗研究較多，大型以及實船船冰相互作用模型試驗研究較少，且目前對于如冰山、冰脊極端載荷作用下的船舶結構損傷演化過程的研究較少。因此，本文將針對低溫以及極端載荷作用下的船舶艏部結構損傷演化過程進行仿真分析，掌握各主要性能參數對損傷演化過程的影響規律，為極端環境下船舶結構設計及評估方法提供技術支撐。

1 典型船冰相互作用場景

船舶航行在極地水域時，其艏部及涉冰帶結構可能與浮冰、冰脊、冰山等發生接觸碰撞。對于船舶與浮冰發生的常規碰撞，主要發生在船舶回轉運動時舷側涉冰帶結構、船舶直線航行時艏尖結構等。對于船舶與冰脊或冰山發生碰撞情況，主要考慮到氣候條件的影響（如陽光輻射、霧氣影響）、船員偶然操作失誤、探測儀器設備失效或誤判等因素。如雪龍號在2019 年時曾因濃霧遮擋，能見度極地的環境下與冰山相撞，泰坦尼克號在天氣晴朗情況下與冰山相撞，導致舷側進水，船體斷裂而沉沒[25]。對于極端環境條件，主要的船冰相互作用可以概括為：船舶艏部撞擊冰山（見圖1a）、船舶應急避險時舷側撞擊冰山（見圖1b）以及船舶快速行駛騎冰脊（見圖1c）等3 種場景。本文主要針對前兩種場景開展艏部結構在低溫極端環境下的損傷演化過程分析。

圖1 極端船冰作用場景Fig.1 Extreme ship-ice action scenarios:a) Scenario 1;b) Scenario 2;c) Scenario 3

2 仿真模型建立及材料本構

2.1 船體結構建模及材料本構模型

文中采用等效船體梁方法[26]開展局部立體結構失效機理研究，對可能與海冰接觸并發生變形的艏部進行了詳細的有限元建模，細化區域的甲板、外板、縱桁、橫梁及骨材等所有結構均采用殼單元建立，定義為彈性體。對于遠離碰撞發生區域的船體結構進行簡化建模，定義為剛體材料，以提升計算效率，并通過改變不同站位材料密度方式調整重心位置、重量等與實船一致。其中，遠離碰撞區域長度為141 m，艏部細化區域長度為46 m，寬度為16.5 m，型深為17 m，有限元模型見圖2 所示。模型中殼單元總數為49 631個，節點數為44 011 個。數值仿真分析過程根據工況選擇不同的初始速度，無其他約束條件。針對船舶結構與海冰碰撞場景，其船體的附件質量取為0.02Ms（Ms為船體排水量）[27]，海冰的附件質量取為0.1Mi（Mi為海冰質量）。

圖2 船體有限元模型Fig.2 Finite element model of hull

本文針對船用材料開展了–40 ℃和常溫環境下的材料力學性能測試，獲得了船用高強度鋼應力-應變曲線，如圖3 所示。在保證材料曲線可以較好地模擬主要特征和變化趨勢的前提下，將材料曲線進行合理簡化，以減少材料動態力學性能試驗工作量。圖3中給出了真實材料應力應變曲線以及用于數值仿真分析中的簡化應力應變曲線，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，常溫下對應的屈服應力為472 MPa，–40 ℃環境下對應的屈服應力為500 MPa。在–60 ℃時，該材料進入韌脆轉變狀態。由于本文未開展相應的材料力學性能試驗，且文中的碰撞速度變化區間較小（6～15 kn），接近文獻[28]中的速度，屬于低應變率范圍，因此本文采用Cowper-Symonds 模型[29]來描述應變率對鋼材料影響：

圖3 高強度鋼應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of high strength steel

為了更加真實地模擬船冰碰撞，本文采用應變準則模擬鋼材失效，并根據文獻[8]中參數取鋼材最大塑性應變值為0.28。

2.2 海冰建模及材料本構模型

海冰模型采用Hex8 體單元建立，并考慮計算效率，在碰撞可能發生區域進行網格細化，遠離碰撞區域采用大尺度網格。2 種碰撞場景的冰體有限元模型如圖4 所示，海冰長度方向為80 m，寬度方向為44 m，高度方向為 40 m。文中計算環境溫度包括常溫和–40 ℃，且為保證分析中考慮單一變量的影響，海冰密度統一取900 kg/m3。

圖4 冰山有限元模型Fig.4 Finite element model of iceberg:a) finite element model of iceberg in ship bow impact;b) finite element model of icebergs in bow side impact

在數值仿真中，將海冰材料性質假定為各向同性。海冰失效準則采用Von-Mises 準則，海冰的破壞模式采用最大塑性應變失效[30]，海冰的主要力學性能參數見表1。

表1 冰體材料參數Tab.1 Ice material parameters

3 結構損傷及參數敏感性分析

2 種碰撞場景下，船冰相對高度方向的位置根據冰體受到的浮力以及船體結構吃水來確定，以保證碰撞發生的位置更加接近真實情況。對于球鼻艏及艏柱位置首先與冰山發生碰撞，主要研究球鼻艏及艏柱位置結構損傷，并開展航速、材料本構以及溫度影響分析。對于舷側與冰山發生碰撞情形，主要研究舷側板架結構損傷情況，并開展不同撞擊角度下的損傷分析。通過對上述2 種碰撞場景的分析，獲得不同碰撞場景狀態下主要失效部位的失效模式，以此掌握垮塌過程失效機理。

3.1 船舶正撞冰山場景

3.1.1 航速影響分析

航速取6、8、10、12 kn 等4 種，撞擊場景見圖1a。通過圖5 可以看出，隨著航速的增大，碰撞力量值隨之增大，冰體變形能量不斷增加。4 s 后目標船航速基本為0，對應的撞深基本保持不變，且發現對應的冰體變形能也基本保持不變。

圖5 航速影響Fig.5 Effect of speed:a) collision force;b) energy

3.1.2 材料本構模型影響分析

本節主要分析Cowper-Symonds 模型和真實材料模型對損傷過程及損傷范圍影響。本節仿真對應的環境溫度為常溫，船體航速為10 kn。通過圖6 可知，2種材料模型下，碰撞力、能量的變化趨勢基本一致，僅在局部峰值處存在一定差異。因此，后續分析中均采用真實材料本構模型。

圖6 材料本構模型影響Fig.6 Effect of material constitutive model:a) collision force;b) energy

3.1.3 溫度影響分析

本節主要針對常溫和–40 ℃低溫環境下材料性能變化對目標船垮塌過程及損傷范圍等的影響進行分析，仿真中船體航速為10 kn。通過圖7 可知，2種材料模型下碰撞力的變化趨勢基本一致，僅在局部峰值處存在一定差異。對于常溫環境下的材料，由于材料的屈服應力為472 MPa，小于–40 ℃環境下的材料屈服應力。因此，采用常溫環境下材料性能參數的目標船艏部結構的變形能要大于采用–40 ℃環境下材料性能參數的目標船艏部結構的變形能。

圖7 環境溫度影響Fig.7 Effect of ambient temperature:a) collision force;b) energy

3.1.4 船艏部撞擊冰山場景

本節主要針對表2 中的4 個工況開展仿真分析，研究不同冰體塑性應變和航速組合情況下結構損傷過程、失效范圍，計算工況環境溫度均為–40 ℃。

表2 船艏部撞擊冰山場景計算工況Tab.2 Calculation condition for bow impact iceberg scenario

本次計算過程中的艏部結構損傷情況如圖8 所示。通過對比分析可以得出，隨著冰體塑性應變的增大，冰體破碎范圍逐漸減小，結構損傷范圍逐漸增大。主要結構損傷發生在球鼻艏處，主要表現為球鼻艏板架結構的垮塌，加強筋結構的屈服失效。

圖8 球艏損傷云圖Fig.8 Damage cloud of bow:a) condition 1;b) condition 2;c) condition 3;d) condition 4

3.2 舷側部撞擊冰山場景仿真分析

本節主要針對表3 中的6 個工況開展仿真分析，研究不同撞擊角度、不同撞擊位置下的結構損傷過程及失效模式等。其中強框位置、板格中心1 和板格中心2 位置如圖9 所示。

表3 舷側部撞擊冰山場景仿真計算工況Tab.3 Calculation conditions for side impact iceberg scene

圖9 3 個典型撞擊位置Fig.9 Three typical impact locations

由于本場景為舷側與冰山發生碰撞，其航速的確定根據敞水狀態，未及時發現冰山，保持15 kn 航速行駛確定。為分析其舷側板架結構的失效機理，采取了不同航向角、不同撞擊位置進行分析，同時分析不同冰體失效塑性應變對結構垮塌過程的影響，其中初始角度為船舶正向撞擊冰山為0°，向左舷轉彎為正值。

不同工況的船冰相對位置初始狀態如圖10 所示，各工況在碰撞結束后的船冰相對位置、冰體破損情況、板架結構損傷情況如圖11 所示。可以得出，隨著初始角度的增大，碰撞結束后偏離的角度越大。主要是由于碰撞過程中冰山將給船體艏部一個側向力，使得船體發生整體的偏轉，而隨著初始角度的增大，產生轉向的趨勢越明顯。隨著初始相對角度的增大，由于船體型線沿船長的變化，使得船體與冰山接觸的面積增大，碰撞結束后，冰體破損范圍也越大。同時，隨著冰體塑性失效應變的增大，冰山破損范圍逐漸減小。碰撞過程呈現局部集中的特點，產生塑性變形區域主要集中在船冰接觸位置。隨著冰體塑性失效應變的增大，其損傷范圍逐漸增大，撞擊位置發生在板格2 附近時，損傷范圍最大，板格1附近次之，最小損傷范圍為強框附近。發生該狀態的原因在于，強框位置剛度較大，而對板格而言，隨著跨長的變大，其相對剛度降低，使得損傷變形范圍更大。但由于承受載荷的范圍更廣，應力重新分布的范圍區域更大，使得產生的塑性應變最大值在3 種狀態時基本一致。

圖11 船冰相對位置及冰體破損情況Fig.11 Relative position of ship and ice damage:a) condition 1;b) condition 2;c) condition 3;d) condition 4;e) condition 5;f) condition 6

6 種工況下的船冰碰撞力曲線如圖12 所示。可以看出，碰撞過程僅持續了5 s 左右。對于撞擊強框、板格1 和板格2 不同位置，結構較弱的首先產生較大的碰撞力，隨著結構增加，產生極大碰撞力的時間向后推移。船舶與冰山發生碰撞時的碰撞力與船和浮冰、碎冰等產生的短暫脈沖形式的碰撞力明顯不同，呈現峰值數量更少、量值更大的特點。

圖12 碰撞力曲線Fig.12 Collision force curve:a) conditions 1—3;b) conditions 4—6

4 結論

1）當船體材料C-S 模型和真實材料模型均采用同樣的屈服應力、彈性模量等基本參數時，對碰撞力、船體結構損傷以及結構變形能量等的影響較小。

2）隨著航速的增加，船體撞擊區域的損傷范圍增大，船體結構變形能、撞擊深度以及碰撞力等增大。隨著環境溫度的降低，船用鋼材料屈服應力增大，船體結構損傷范圍減小，在材料達到韌脆轉變溫度前，低溫使得結構更加安全。

3）對于緊急避險舷側碰撞情況，隨著撞擊角度的增加，船冰接觸面積增大，船體結構損傷區域增加。隨著碰撞發生位置的剛度變大，碰撞區域損傷范圍變小。

4）對于本文所涉及的2 種極端場景，艏部結構失效模式主要表現為橫框架屈服失效、加強筋屈曲及側傾失效、局部外板大變形等。