徐 張，李 銳，丁 琦

(1. 中國船級(jí)社上海分社，上海 200135；2. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 航運(yùn)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海)，上海 200135)

0 引 言

近年來北極冰層逐漸消融，冰蓋面積急劇下降，使得運(yùn)輸船只在北極地區(qū)通航時(shí)間大大增加，同時(shí)也提高了社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。然而，極地運(yùn)輸船舶航行于北極航道時(shí)，難免要與浮冰發(fā)生碰撞或摩擦，影響航行安全甚至船員安全。

在國內(nèi)，研究船-冰碰撞問題的學(xué)者逐漸增多，其中張健等[1]利用非線性有限元軟件Ls-dyna模擬破冰船的連續(xù)破冰過程，得到了不同冰厚和不同船速下的船首碰撞力曲線，通過理論與仿真對(duì)比分析，驗(yàn)證了理論方法和數(shù)值仿真的可行性。王健偉等[2]運(yùn)用了非線性有限元方法構(gòu)建船舶與冰層的數(shù)值仿真模型，得到了不同航速以及冰厚對(duì)船-冰碰撞載荷的影響。馮炎等[3]利用Ls-dyna軟件模擬冰區(qū)船舶連續(xù)式破冰，得到了不同階段海冰損傷破壞規(guī)律及相應(yīng)的冰阻力值，對(duì)比發(fā)現(xiàn)了層冰呈現(xiàn)近似周期性的破碎模式。在國外，Gagnon等[4]利用有限元軟件Ls-dyna中的ALE算法對(duì)油船與冰山的碰撞場(chǎng)景進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。Myland等[5]對(duì)航行于平整冰中的船舶破冰阻力進(jìn)行研究，并通過模型試驗(yàn)對(duì)不同船速和不同船型在破冰過程中冰裂紋的萌生和擴(kuò)展進(jìn)行了研究。

本文基于非線性有限元軟件Ls-dyna對(duì)船舶與不同類型層冰碰撞的船首結(jié)構(gòu)響應(yīng)開展研究，得到了船冰碰撞過程中船首結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，分析了航速、冰厚等要素對(duì)船冰碰撞載荷的影響。

1 數(shù)值仿真模型

1.1 船體有限元模型

選用一艘極地運(yùn)輸油船為研究對(duì)象，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 船舶主要參數(shù)Tab. 1 The main parameters of the ship

由于極地船舶在破冰過程中船首部分與冰體進(jìn)行碰撞，碰撞力大多集中在船首水線附近，較大應(yīng)力部位也集中在船體首部位置。因此，本文對(duì)船舶非碰撞區(qū)域進(jìn)行了簡化處理。船首部分船體結(jié)構(gòu)與實(shí)船結(jié)構(gòu)保持一致，網(wǎng)格劃分較密集，而非碰撞區(qū)域只保留剛體外殼，如圖1所示。

圖1 整船及船首有限元模型Fig. 1 Finite element model of the whole ship and bow

將船體材料設(shè)置為考慮應(yīng)變率影響的彈塑性材料[6]，具體參數(shù)如表2所示。

表2 船體鋼的塑性動(dòng)態(tài)材料參數(shù)Tab. 2 Plastic dynamic material parameters of hull steel

1.2 層冰有限元模型

采用體單元分別建立長寬為1 00 m×70 m 的規(guī)則層冰有限元模型，如圖2所示。長寬為 220 m×100 m的長方體區(qū)域中部剖開一個(gè)長寬為1 50 m×60 m的體單元，即為不規(guī)則層冰有限元模型，如圖3所示。利用HyperMesh軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分并將層冰細(xì)分為碰撞區(qū)（ 40 m×40 m）、過渡區(qū)（寬10 m）和遠(yuǎn)區(qū)。碰撞區(qū)網(wǎng)格細(xì)分尺寸為0.25 m，過渡區(qū)網(wǎng)格尺寸為0.5 m，遠(yuǎn)區(qū)網(wǎng)格尺寸為1 m。層冰碰撞前端面為自由狀態(tài)，左右后三端面進(jìn)行全約束。

圖2 規(guī)則層冰有限元模型Fig. 2 Finite element model of regular ice layer

圖3 不規(guī)則層冰有限元模型Fig. 3 Finite element model of irregular ice layer

2 冰厚對(duì)船冰碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響

冰厚是影響船舶破冰的重要因素，因此采用控制變量法，設(shè)置船舶航行的初速度均為2 m/s，再利用Ls-dyna中ALE流固耦合算法將船舶分別與層冰厚度為0.5 m，1.0 m和1.5 m三種工況進(jìn)行碰撞，對(duì)碰撞后的結(jié)構(gòu)損傷變形和碰撞力進(jìn)行對(duì)比分析研究。

圖4和圖5分別為船首和規(guī)則層冰損傷變形應(yīng)力云圖及船首和不規(guī)則層冰損傷變形應(yīng)力云圖。船首與不同厚度層冰發(fā)生碰撞時(shí)，船首最大應(yīng)力發(fā)生均在與層冰碰撞處，整個(gè)碰撞過程中應(yīng)力峰值大小隨著冰體的厚度增加而增加。當(dāng)層冰厚度為0.5 m和1.0 m時(shí)，船首僅有很小的塑性變形，并未對(duì)船首結(jié)構(gòu)造成破壞；當(dāng)層冰厚度增加到1.5 m時(shí)，船首已經(jīng)發(fā)生了明顯的塑性變形，結(jié)構(gòu)遭到了一定的破壞，此工況下該船舶破冰航行十分危險(xiǎn)。

圖4 規(guī)則層冰載荷下船首和冰損傷應(yīng)力云圖Fig. 4 Stress nephogram of bow and ice damage under regular ice load

圖5 不規(guī)則層冰載荷下船首和冰損傷應(yīng)力云圖Fig. 5 Stress nephogram of bow and ice damage under irregular ice load

從圖6和圖7碰撞力-時(shí)間曲線中可以看出，層冰載荷在時(shí)域上具有較強(qiáng)的波動(dòng)性，且波動(dòng)的劇烈程度隨著冰厚的增加而增加。在船首與冰體碰撞過程中，冰載荷的卸載現(xiàn)象反復(fù)出現(xiàn)，從而導(dǎo)致碰撞力曲線出現(xiàn)了較大波動(dòng)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是船首與層冰發(fā)生碰撞時(shí)，兩者之間的結(jié)構(gòu)若沒有發(fā)生失效，碰撞力就會(huì)上升，而當(dāng)兩者之中的某個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生失效時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生力的卸載現(xiàn)象。隨著船體的破冰行進(jìn)，新的結(jié)構(gòu)又會(huì)使碰撞力上升，結(jié)構(gòu)失效后又產(chǎn)生碰撞力卸載，如此反復(fù)，便導(dǎo)致船首結(jié)構(gòu)的破壞。

圖6 規(guī)則層冰載荷下碰撞力-時(shí)間曲線Fig. 6 impact force time curve under regular ice load

圖7 不規(guī)則層冰載荷下碰撞力-時(shí)間曲線Fig. 7 impact force time curve under irregular ice load

表3對(duì)不同類型層冰下的碰撞力均值進(jìn)行了比較。對(duì)比規(guī)則層冰和不規(guī)則層冰在不同冰厚條件下的碰撞力均值，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冰厚為0.5 m，兩者之間的差值為0.25 MN；當(dāng)冰厚為1.0 m時(shí)，兩者之間的差值為0.45 MN；當(dāng)冰厚為1.5 m時(shí)，兩者之間的差值為2.14 MN。不同冰厚條件下，規(guī)則層冰與不規(guī)則層冰載荷之間碰撞力均值的差值隨著冰厚的增加呈現(xiàn)快速遞增的趨勢(shì)，如圖8所示。

3 航速對(duì)船冰碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響

航速是影響船舶破冰的另一個(gè)重要因素，同樣采用控制變量法，分別設(shè)置0.5 m/s，1.0 m/s和1.5 m/s三種航速工況，冰厚均取為0.5 m，利用耦合技術(shù)對(duì)船-冰碰撞后的變形損傷和碰撞力進(jìn)行研究。

表3 不同類型層冰下的碰撞力均值比較Tab. 3 Comparison of collision force peaks under different types of layers

圖8 冰厚-差值曲線Fig. 8 Ice thickness-difference curve

圖9和圖10分別為規(guī)則層冰載荷和不規(guī)則層冰載荷下船首及冰損傷應(yīng)力云圖。航速對(duì)于船冰相互作用的影響顯著，低航速下船和冰的應(yīng)力值較小，且冰體破碎范圍較小，高航速下船和冰的應(yīng)力值較大，冰體破碎范圍較大。

圖11和圖12分別為規(guī)則層冰載荷和不規(guī)則層冰載荷下船冰碰撞力-位移曲線。在航速為0.5 m/s和1.0 m/s兩種工況下碰撞力出現(xiàn)了較為明顯的卸載現(xiàn)象，因?yàn)閷颖扑檫^程中產(chǎn)生了大量破碎的冰塊，形成了碎冰的堆積，航行阻力加大，再加上航速較低影響了其持續(xù)破冰能力。低航速下船體對(duì)層冰的接觸面積較大，船冰之間的作用力相對(duì)穩(wěn)定，層冰對(duì)船體的載荷較為平穩(wěn)；高航速下船體對(duì)層冰的接觸面積較小，船冰之間的作用力傳遞速率較快，碰撞力峰值要比低速時(shí)高，層冰載荷的波動(dòng)幅度較為劇烈。

表4為不同航速條件下的不同層冰類型碰撞力均值比較。0.5 m/s航速兩者差值為0.28 MN，航速為1.0 m/s時(shí)，差值為0.31 MN；航速為1.5 m/s時(shí)，差值為0.87 MN。不同航速條件下，規(guī)則層冰與不規(guī)則層冰載荷之間碰撞力均值的差值隨著航速的增加呈現(xiàn)快速遞增的趨勢(shì)，如圖13所示。

圖9 規(guī)則層冰載荷下船首和冰損傷應(yīng)力云圖Fig. 9 Stress nephogram of bow and ice damage under regular ice load

圖10 不規(guī)則層冰載荷下船首和冰損傷應(yīng)力云圖Fig. 10 Stress nephogram of bow and ice damage under irregular ice load

航速較低時(shí)，規(guī)則層冰與不規(guī)則層冰下的船首碰撞力均值差距不大，主要是因?yàn)樗俣鹊蜁r(shí)，層冰破碎面積均較小，規(guī)則層冰與不規(guī)則層冰兩者的載荷與船體相互作用較為平緩；當(dāng)航速逐漸增加時(shí)，船體引起的冰載荷更加劇烈，導(dǎo)致規(guī)則層冰與不規(guī)則層冰之間的碰撞力均值產(chǎn)生較大差距。

圖11 規(guī)則層冰載荷下碰撞力-位移曲線Fig. 11 Impact force displacement curve under regular ice load

圖12 不規(guī)則層冰載荷下碰撞力-位移曲線Fig. 12 Impact force under irregular ice load - Displacement curve

表4 不同類型層冰下船首碰撞力均值比較Tab. 4 Comparison of the peak collision force of bows under different types of ice

圖13 航速-差值曲線Fig. 13 Speed - Difference curve

4 結(jié) 語

本文基于非線性有限元軟件Ls-dyna對(duì)北極航區(qū)航行運(yùn)輸船破冰過程中引起的船首結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究。采用流固耦合技術(shù)，分別建立船-水-規(guī)則層冰和船-水-不規(guī)則層冰數(shù)值仿真模型，對(duì)不同冰厚和不同航速條件下船冰碰撞過程船首結(jié)構(gòu)變形損傷和碰撞力進(jìn)行對(duì)比研究。主要結(jié)論如下：

1）冰厚和航速均是影響船冰碰撞結(jié)構(gòu)損傷的關(guān)鍵因素，船首結(jié)構(gòu)損傷變形應(yīng)力和碰撞力均隨冰厚和航速的增大而增大；

2）不規(guī)則層冰載荷相較于規(guī)則層冰載荷引起的船首結(jié)構(gòu)響應(yīng)更加劇烈，應(yīng)力值和碰撞力均值均比規(guī)則層冰載荷下的更大；

3）在薄冰和低航速下，規(guī)則層冰載荷碰撞力均值與不規(guī)則層冰載荷碰撞力均值之差較小，而在厚冰和高航速下，規(guī)則層冰載荷碰撞力均值與不規(guī)則層冰碰撞力均值之差逐漸增大。