航行氣墊船激勵均勻水深浮冰層位移響應的數值模擬

丁志勇，李宇辰，張志宏，盧再華

(海軍工程大學 理學院，湖北 武漢 430033)

航行氣墊船激勵均勻水深浮冰層位移響應的數值模擬

丁志勇，李宇辰，張志宏，盧再華

(海軍工程大學 理學院，湖北 武漢 430033)

在均勻水深條件下，基于 ALE 算法對勻速航行氣墊船激勵浮冰層的位移響應問題進行數值模擬。計算不同氣墊船速度和河道岸壁寬度條件下的冰層位移響應，獲得對應于冰層最大垂向位移變形情況下的氣墊船臨界速度。計算結果與理論解和試驗結果符合良好，驗證計算方法的有效性。計算結果表明：在臨界速度時冰層下陷位移達到最大，而河道岸壁的存在將會使臨界速度減小。

氣墊船；冰層；數值模擬；臨界速度

0 引 言

全墊升式氣墊船是一種利用氣墊將船體全部或大部分托離水面或地面的高速航行船舶，具有靈活、快速及負重強等特點，廣泛應用于抗洪救災、交通運輸及登陸作戰等多個領域[1]。以黃河凌汛防災減災需求為背景，相比于傳統的爆炸破冰方式的局限性和安全性[2]，使用氣墊船破冰被認為是一種可靠、安全、高效及環保的新方法[3]。

氣墊船破冰的機理可認為是移動載荷激勵冰層引起的聚能共振增幅效應，當移動載荷以特定航速（臨界速度）航行于冰面上時，可以激勵冰層大幅變形，冰層內應力迅速提高，當其超過極限應力時冰層將破裂。Milinazzo[4]考察了矩形載荷長寬比對冰層響應的影響，得出了當載荷移動速度接近臨界速度時冰層變形為無限大的結論。Mellor[5]提出了低速和高速 2 種氣墊船破冰模式，并分析了適用條件。Takizawa[6]開展了移動載荷引起冰層變形的試驗，發現存在使冰層下陷位移最大的臨界速度。Squire[7-8]也得到了類似的實驗結果，并總結了移動載荷激勵冰層響應研究工作。胡明勇[9-11]計算了浮冰在脈沖、三角載荷及正弦載荷作用下的位移響應。劉巨斌[12-13]采用邊界元與有限差分法對氣墊船破冰進行了數值模擬。張志宏[14]利用薄膜開展了移動氣墊載荷激勵冰層變形相應的模型實驗，證實了存在使薄膜下陷位移最大的載荷臨界速度。盧再華[15-16]利用有限元方法對氣墊船冰上航行過程進行了數值模擬并給出了臨界航速的估算方法。

上述研究主要針對均勻水深無限大冰層情況，為研究河道岸壁對氣墊船激勵冰層響應的影響，采用動力學分析軟件 LS-DYNA ，建立氣墊船激勵冰層位移響應的數值計算模型，針對不同載荷速度和岸壁寬度的冰層位移響應進行計算，分析不同載荷速度下冰層的位移響應及岸壁寬度對臨界速度和冰層位移的影響，為進一步研究復雜邊界條件下氣墊船激勵冰層響應提供基礎。

1 數值計算方法

將氣墊船等效為作用于冰層的氣墊壓力載荷，建立勻速移動載荷作用于淺水冰層的計算模型，認為冰層是各向同性、勻質、厚度均勻的彈性薄板，漂浮于水面，氣墊在冰層上，與冰層接觸，氣墊上部為空氣。氣墊密度為 ρacv，作用方向垂直向下，冰厚為 h，冰密度為 ρ1，水深為 H，水密度為 ρ2，如圖1 所示。

圖1 計算模型Fig. 1 Computationalmodel

采用兼顧拉格朗日和歐拉型有限元方法優點的任意拉格朗日-歐拉（ArbitraryLagrangian-Eulerian，ALE）方法進行計算，滿足質量守恒、動量守恒和能量守恒。其基本控制方程如下：

式中：ρ 為流體密度；v 和 w 為物質速度和對流速度；σij為應力張量；b 和 e 分別為體力和能量。

利用算子分離算法對 ALE 控制方程（1）～方程（3）進行離散求解，首先執行拉格朗日過程，然后對穿過邊界的質量輸運、內能和動量等參數進行計算，采用中心差分按照時間遞增進行求解。

采用時間顯式法，對每個節點，速度和位移按以下等式進行更新：

冰層和流體層的耦合采用歐拉-拉格朗日耦合算法，建立幾何模型和進行有限元網格劃分時，結構與流體的網格重疊，如圖2 所示對拉格朗日結構進行約束，將結構的相關參量傳遞給流體單元。

圖2 拉格朗日-歐拉耦合算法Fig. 2 Lagrange-Euler algorithm

對冰層的加速度和速度進行約束，流體結構的節點速度按以下公式進行更新。將結構節點的動量分配給流體單元的節點：

模擬氣墊船的氣墊層和冰層采用各向同性線彈性材料，采用對稱罰函數方法約束的自動面-面接觸算法，氣墊壓力通過給氣墊層加載重力的方式實現。

空氣和水采用線性多項式狀態方程描述，其內能分布呈線性，壓力由下式給出：

式中：P 為壓力；C0～C6為狀態方程系數；E 為彈性模量；μχ 為相對體積。

2 計算模型和參數

為方便驗證計算結果的有效性，本文采用 Takizawa試驗[6]的實際參數來建立氣墊船冰上航行的三維模型。如圖3 所示（半個模型），xz 為對稱面，從下至上依次為水層、冰層、氣墊層和空氣層，空氣層和水層交界處共節點，空氣層與冰層、氣墊層網格重合。為減小邊界影響，冰層在 x 方向距離前端邊界 2m，y 方向距離外側邊界 1m，計算域長 L=200m，寬 B=12m。水層、冰層和空氣層的厚度分別為 H=6.8m、h=0.17m和 H1=0.7m。采用 3D 實體單元劃分網格，單元數為 281 040，節點數為 325 953。

圖3 網格劃分Fig. 3 Themeshing ofmodel

參考 Takizawa 實驗雪地車的尺寸及參數，模型中氣墊尺寸取為：長 a=2.4m，寬 b=0.8m，厚 c=0.2m。根據雪地車重量換算得到氣墊密度，空氣和水的密度分別為 1.29 kg/m3和 1 026 kg/m3，力學特性參數取值如表1 所示。

表1 冰層和氣墊層的力學特性參數Tab. 1 Parameters of ice sheet and ACV

為研究不同載荷速度下冰層位移響應，計算時氣墊船速度從 2 ～ 15m/s 取值；此外，為研究岸壁對臨界速度的影響，定義河道寬度與雪地車寬度比值為 λ=B/b，計算時 λ 從 2 ～ 20 取值。

3 計算結果與分析

3.1 不同載荷速度下的冰層位移響應

取冰層距前端 50m處冰層對稱面中層節點為觀測點，節點編號為 311 880。

圖4 所示為 V=5.5m/s 時觀測點的位移響應曲線與 Takizawa 實冰試驗結果對比曲線，橫坐標為時間 t，縱坐標為冰層位移響應 w，數值計算過程的前 3 s 時間進行重力和速度加載，冰層未達到穩定狀態，受到浮力作用產生正向位移。載荷從起始點開始運動，產生的小幅波向前傳播，冰層發生小幅震蕩，載荷運動到觀測點附近時，觀測點在某一時刻達到最大下陷位移，并且下陷寬度減小，載荷通過后冰層的位移響應減弱，下陷深度減小，下陷寬度變大，位移響應的變化規律一致。

圖4 V=5.5m/s 時的冰層位移響應Fig. 4 Displacement response of V=5.5m/s

圖5 所示為冰層最大下陷位移與載荷速度關系的曲線 V，橫坐標為載荷速度，縱坐標為最大下陷位移wmax。計算結果表明：在低速區域得到的位移比試驗結果小，在臨界速度附近以及高速區域，最大下陷位移比試驗結果大，由于數值計算存在岸壁邊界和前后邊界，邊界對應力波的反射作用會對冰層的變形產生影響，在臨界速度附近，岸壁的反射波對冰層的振動有促進作用；載荷速度較低時，岸壁的反射波對冰層的振動有抑制作用；載荷速度較高時，邊界的反射波到達中間區域之前，載荷已向前運動較遠距離，反射波來不及對較早產生的位移響應產生影響，對冰層的振動影響較小。此外，從圖中還可以看出，計算結果與實驗結果的變化規律基本一致。隨著載荷速度的增加，冰層下陷位移不斷增加，且在特定航速附近冰層下陷位移達到最大值，當載荷速度超過此速度以后，冰層下陷位移反而變小。該現象說明存在使得冰層下陷位移最大的臨界速度，氣墊船在該速度下航行可以使冰層的振動幅度最大，有利于冰層斷裂以達到破冰的目的，而其他移動載荷在冰上航行時應避開該速度。

根據文獻[14]提供的計算淺水條件下冰上載荷臨界速度的 2 個近似公式（10）和公式（11），代入本文計算參數可以得臨界速度的理論解結果分別為 Vs=5.8m/s 和 Vc=5.9m/s，該結果與數值計算結果 V=5.6m/s及實驗結果相一致。

圖5 不同載荷速度下的冰層最大下陷深度Fig. 5 Themaximumdepression depth of ice sheet caused by different vehicle speed

式中 Vs和 Vc分別為利用奇點法和能量法所得的臨界速度。

為了更直觀地反映氣墊船破冰的機理，現考察不同載荷速度下冰層豎直位移變形以及應力云圖（見圖6）。當載荷速度為亞臨界速度時（見圖6（a）），載荷速度小于冰層能量的傳播速度，此時與靜態載荷作用的情況類似，冰層最大下陷位移位于載荷正下方，冰-水系統能量不能持續積累；當載荷速度接近臨界速度時（見圖6（b）），載荷速度等于冰層能量的傳播速度，冰-水系統能量得到持續積累，隨著時間推移氣墊船將激勵冰層產生大幅變形以致冰層破裂；當載荷速度為超臨界速度時（見圖6（c）），載荷會越過冰層振動波的波峰，對冰層的變形起到了抑制作用，冰-水系統的能量不能得到持續積累，因此氣墊船所激勵的冰層位移也極為有限。

綜上所述，雖然數值計算采用的材料模型以及各種耦合算法并不能完全模擬實際情況，但數值計算結果與試驗結果所得的曲線整體變化規律一致，這說明，該數值計算方法對于研究氣墊船破冰具有一定的指導意義。

3.2 岸壁寬度對臨界速度的影響

只改變 λ 的值，其他參數不變重新進行計算，λ 的取值分別為 2，4，6，8，10，15，20，通過多次計算估算出不同河道寬度下載荷的臨界速度，結果如圖7所示，橫坐標為參數 λ，縱坐標為臨界速度 Vcr。

從圖7 可發現，隨著 λ 減小，岸壁寬度變小，臨界速度有變小的趨勢；臨界速度隨著 λ 增大逐漸趨近5.6m/s；當 λ ≥ 15 時，臨界速度幾乎不變且接近無限大冰層情況下的臨界速度，這說明當 λ ≥ 15 時，岸壁影響可以忽略不計；當 λ=4 時，臨界速度最小，隨著岸壁寬度進一步變小，臨界速度反而變大，說明存在特定的 λ 即岸壁寬度使得臨界速度最小。

圖6 不同載荷速度下的冰層豎直位移云圖Fig. 6 The contourmap of vertical displacement of ice sheet caused by different ACV speed

圖7 不同 λ 時的臨界速度Fig. 7 Critical speed with different λ

從波和能量的角度分析，岸壁寬度較小時，冰層變形產生的波形會在岸壁反射回來，反射回來的波與冰層變形疊加，使冰層的位移相應增強或減弱，相應的臨界速度會發生變化；岸壁寬度過大時，載荷最初激勵的波形從岸壁反射回來經過的時間較長，此時載荷已經運動到較遠位置，振幅較大的波也向前傳播了不少距離，加上反射回來的波能量損失較大，對冰-水系統興波的能量積累貢獻不大。岸壁寬度尺度進一步變大，接近于無限大冰層，反射回來的波對冰層造成的位移影響進一步減小。因此，針對不同河道情況，應選擇合適寬度的氣墊船和與之對應的臨界速度來提高破冰效率。

4 結 語

在均勻淺水和存在河道岸壁條件下，建立了氣墊船航行激勵冰層位移響應的三維數值計算方法，并采用動力學分析軟件 LS-DYNA 進行了數值模擬計算，獲取了氣墊船在不同速度下航行時冰層的位移響應，得到了使得冰層響應最大的臨界速度，并與相關試驗結果和理論解結果進行對比，驗證了計算方法的有效性。基于數值計算結果，分析了河道岸壁寬度對臨界速度的影響，結果表明岸壁的存在使得臨界速度有所減小，同時還得到了存在使臨界速度最小的岸壁寬度這一結論。本文僅針對直岸壁條件下氣墊船激勵冰層響應作了初步探討，在實際應用中還有許多需要考慮的因素，如變速航行、非均勻水深、彎曲岸壁等，這是下一步需要研究解決的問題。

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Numerical simulation of displacement response of floating ice sheet induced by amoving air cushion vehicle in uniformdepth

DING Zhi-yong, LI Yu-chen, ZHANG Zhi-hong, LU Zai-hua
(College of Science, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Based on the ALE algorithmin uniformdepth, the displacement response of floating ice sheet caused by amoving air cushion vehicle (ACV) was numerically simulated, the critical speed ofmoving load withmaximumvertical displacement deformation of ice sheet were solved, the influence of river width on the displacement response and critical speed were analyzed.agood agreement exists among the numerical results and theoretical solutions as well as experimental results. The research shows thatmaximumdepression deformation of ice sheet will appear at critical speed, and the existence of river bank will decrease the value of critical speed.

air cushion vehicle；ice sheet；numerical simulation；critical speed

U674.943

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0020 - 05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.004

2015 - 12 - 31；

2016 - 02 - 02

國家自然科學基金資助項目（51479202）

丁志勇(1993 - )，男，碩士研究生，研究方向為流固耦合力學。