冰体质量和撞击角度对船首结构碰撞性能的影响

张 健 ，王甫超，2*，刘海冬，杜成忠

(1.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212003；2.浙江大华技术股份有限公司，浙江 杭州 310000；3.上海外高桥造船有限公司，上海 200137;4.江苏新扬子造船有限公司,江苏 靖江214500)

0 引 言

我国国民经济正持续快速发展，海洋经济已成为我国国民经济的新增长点。开通北极航道将有助于我国减少对传统航道的依赖，减少航运成本，缩短航行时间，降低航运安全风险，进一步推动我国北极战略部署，但海冰与海上结构物相互作用问题、海冰对结构操作和安全问题也日益突出。我国对于极地原油运输船、极地甲板运输船等方向的研究还处于起步阶段，开展对船-冰碰撞的研究不仅有利于保护人员财产安全，防止海洋污染，还能为开辟极地航道提供理论依据。

针对船-冰碰撞对船首结构的影响，前人已做了大量研究。张充霖[1]应用大型有限元软件MSC.Dytran计算渤海地区3种不同形状的海冰与一艘典型散货船首部碰撞时的动态响应，对3种碰撞工况下船首结构的碰撞力大小、构件吸能情况和损伤变形情况进行分析，得出船-冰碰撞下船首构件的失效规律和能量吸收机制受冰体形状的影响。张健等[2]利用数值仿真的方法,通过变化撞击参数(碰撞速度、冰体形状、碰撞位置等)研究极地船舶在撞击冰山时船舶构件的动态响应差异,讨论船舶与冰体碰撞工况下的损伤变形、碰撞力等变化特性,进而科学地得出冰体形状、冰体质量、船速等撞击参数对船-冰碰撞的影响机理。王健伟等[3]通过改变冰层厚度与船舶速度研究破冰船的动态结构响应,分析船首结构的变形损伤、碰撞冰力的大小和结构吸能等特性。

本文利用ANSYS建立一艘16万吨级的油船首部模型，并使用非线性有限元软件LS-DYNA求解分析，研究在不同冰体质量、碰撞角度等撞击参数下的结构响应问题，得到冰载荷下船首结构的损伤变形、碰撞力等方面的变化特征，对分析船舶与冰体的碰撞性能具有参考价值。

1 船-冰有限元模型

1.1 材料模型

为真实模拟碰撞过程中船体材料的特性，参考文献[4]，选用线性强化的Cowper-Symonds弹塑性模型作为材料本构模型，其基本参数如表1所示。国内外学者在对船-冰碰撞进行数值仿真研究时，普遍认为很难建立海冰的本构模型，因为海冰材料受自然因素影响较大，比如气候、温度、盐度等。根据收集整理的资料[5]，选择国内外学者普遍使用的冰体本构模型，该材料模型不仅可以考虑应变率对von Mises失效应力、切线模量和弹性模量的影响，还能够考虑屈服应力受应变率的影响。冰体材料参数如表2所示。

表1 船体钢的塑性材料参数

表2 冰体材料参数

1.2 有限元模型

选取一艘极地航行油船首部作为研究对象，因冰载荷下船体损伤具有局部性，故有限元模型只建立油船首部结构。油船首部碰撞区域的结构较复杂，包含甲板平台、船体外板、舷侧纵骨、水密舱壁、横框架、桁材等，在建立模型时尽可能使用板单元进行模拟[6]。船首结构有限元模型如图1所示。虽然冰山形状各异，但是船-冰碰撞的接触区域具有局部性，远离碰撞区域的冰体形状对船-冰碰撞仿真计算结果影响不大。借鉴挪威船级社推荐的冰山数值仿真形状[7]，在ANSYS中建立正方体冰体模型如图2所示。

图1 船首网格划分图

图2 冰体模型图

1.3 碰撞方案

在船舶实际碰撞过程中，撞击参数具有多样性[8]。从冰体质量、撞击角度研究船舶碰撞结构响应，使用侵蚀接触模拟舷侧与冰山表面的接触。碰撞方案如表3所示。

表3 碰撞方案

所有工况下的船舶初速度都为8 m/s。不同撞击角度下的船-冰碰撞有限元模型如图3所示。

图3 船-冰碰撞模型图

2 计算结果

2.1 冰体质量对船-冰碰撞的影响

图4为船舶在碰撞不同尺寸冰体过程中的碰撞力随时间变化曲线。由图4可知，碰撞过程持续1 s左右，由于在碰撞过程中船体与冰体发生冲撞挤压作用，碰撞力呈现明显的非线性特征，在碰撞过程的不同阶段船体结构出现了不同程度的卸载现象，伴随有多个峰值出现。值得指出的是，某种构件或者冰体的失效或破坏都以碰撞力的卸载反映出来，因此碰撞力会在一定程度上反映构件失效情况和结构强弱程度。对比分析3种碰撞工况，可以得到船冰首次接触的时间基本在0.01 s左右。边长为6 m的冰体在0.98 s时的碰撞力达到最大峰值110 MN，边长为12 m的冰体在0.85 s时的碰撞力达到最大峰值219 MN，边长为24 m的冰体在0.71 s时的碰撞力达到最大峰值271 MN。船-冰碰撞的碰撞力峰值随冰体质量的增大而增大，碰撞力峰值产生的时刻也随之提前。

图4 不同工况下碰撞力时历曲线

为更好地分析船舶以8 m/s的初速度撞击不同尺寸冰体后船体结构损伤的形态与特征，选取碰撞过程中一系列典型的有效塑性应变与变形图。图5和图6为船首外板及舷侧纵骨在1 s时刻的变形损伤和应力分布情况：球鼻艏的碰撞区域受到挤压产生弯曲变形，舷侧纵骨及船首外板被冰体挤压弯曲变形严重；船舶受边长为6 m的冰体撞击后，船体结构损伤变形区域主要分布在与冰体碰撞区域，局部高应力区域分布与变形区域保持一致，舷侧纵骨和船首外板损伤变形不严重；随着冰体质量的增大，舷侧纵骨和船首外板产生严重的撕裂、弯曲及凹陷，船首结构损伤程度逐渐增大。从图7可知，与船首接触区域的冰体也产生了大量的破碎、失效现象，冰体质量越大，冰体破碎程度越小。

图5 不同冰体尺寸下船首外板的变形损伤和应力分布图

图6 不同冰体尺寸下舷侧纵骨的变形损伤和应力分布图

图7 不同工况下冰体变形损伤和应力分布图

2.2 撞击角度对船-冰碰撞的影响

图8给出了不同碰撞角度下船-冰碰撞的碰撞力曲线。当角度为0°时，碰撞力峰值为219 MN；当角度为30°时，碰撞力峰值为182 MN；当角度为60°时，碰撞力峰值为109 MN。当船冰的撞击角度不断增大时，船首与冰体正面的碰撞接触面积不断减小，当增大到一定角度时，船舶肩部与冰体棱角碰撞，由于肩部结构强度不及艏部，船体会被冰体棱角迅速划破，碰撞力峰值逐渐减小，而且产生碰撞力峰值的时刻也逐渐提前。因此，船-冰碰撞的碰撞力峰值随着撞击角度的增大而减小，碰撞力峰值产生的时刻也随之提前。

从图9可以看出不同撞击角度下冰体与船体结构损伤的形态与特征。当碰撞角度为0°时，冰体被撞击并伴随着大量的破碎，球鼻艏的碰撞区域被冰体挤压产生了较明显的变形。当碰撞角度为60°时，船首与冰体正面的碰撞接触面积减小，此时船首外板被冰体棱角划割，由于肩部结构强度不及艏部，船体会被冰体棱角迅速划破，对船体内结构造成破坏，在这种碰撞情形下，船体的损伤比较严重。因此，在冰区航行的船舶与冰山碰撞不可避免时，应避开冰体棱角。从冰体的破碎情况可知，碰撞角度越大，冰体破碎越小，同时冰体与船首的接触位置随碰撞角度的改变而发生变化。

图8 不同角度下碰撞力曲线对比图

图9 不同撞击角度下船首外板和冰体的变形损伤及应力分布图

3 结 论

(1)在船-冰碰撞过程中碰撞力均呈现明显的非线性，碰撞力的波动较连续且碰撞力增长快速。船-冰碰撞的碰撞力峰值随冰体质量的增大而增大，碰撞力峰值产生的时刻也随之提前；船-冰碰撞的碰撞力峰值随着撞击的增大而减小，碰撞力峰值产生的时刻也随之提前。

(2)在船-冰碰撞过程中，船体结构与冰体损伤具有明显的局部性。随着冰体质量增大，船首结构损伤程度逐渐增大，船首外板和舷侧纵骨产生了巨大的撕拉、弯曲和凹陷。随着撞击角度增大，船首结构凹陷程度减小，但会出现冰体的棱角开始划割船首外板的情况。

(3)冰体尺寸越小，撞击角度越小，冰体损伤越严重。