浮冰碰撞載荷作用下船體板結構動力響應研究*

閆孟嬌 朱 凌

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

浮冰碰撞載荷作用下船體板結構動力響應研究*

閆孟嬌 朱 凌

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

開展了船體板與浮冰碰撞的有限元仿真研究，分析了浮冰碰撞載荷作用下船體板的結構動態響應.采用水平沖擊試驗機開展了船體板-冰碰撞實驗，驗證了數值仿真模型的有效性.在此基礎上，研究了船體板-浮冰碰撞參數對結構動態響應與塑性變形的影響規律.結果表明，隨著板厚的增加，量綱一的量最大撓度值和量綱一的量永久撓度值相應的減小；楔形冰的質量越大，船體板的量綱一的量最大撓度值越大；船體板的最大變形隨著冰的撞擊速度的增加是呈線性增長.

冰載荷；船-冰碰撞；數值仿真；結構動態響應；實驗驗證

0 引 言

北極地區擁有豐富的礦產資源，并且將來可能是貿易往來的重要航線.近年來全球氣候變暖，北極冰川溶解加劇，北極航道越來越具備在夏季通行商船的能力.然而，散落于海上的冰山及浮冰碎片大量增加，船只與包括冰山在內的浮冰碰撞事故屢有發生.因此，研究浮冰與船舶的碰撞對船舶安全性分析尤為重要.

船舶動態響應及冰載荷是研究船-冰碰撞的兩個重要方面.較好地評論作用于船體的總體和局部冰載荷對于船舶設計建造是很重要的.從結構的角度來看，船舶周圍的局部冰載荷的分布信息，可以更有效地用在冰區航行船舶的設計中.很多學者在船-冰碰撞方面開展了許多的研究工作.Jebaraj等[1]采用有限元方法模擬了船-冰碰撞，提出冰在高速沖擊下會發生破碎而不是彎曲.Liu等[2-3]通過對Tsai-Wu屈服面進行變換之后，提出了一種新的冰材料模型，并且系統地研究了船舶與冰山碰撞的動力學問題，同時，該塑性材料模型也成功用于舷側和船艏碰撞的研究中.張建等[4]運用非線性有限元法進行了船-冰碰撞數值仿真，研究了冰的質量、形狀、沖擊速度對船舶球鼻艏結構動態響應的影響，揭示了不同工況下船舶的損傷變形、碰撞力和能量吸收的規律.宋組廠等[5]采用有限元方法模擬了獨腳簡易平臺與單塊浮冰的相互作用過程，獲得了碰撞能量轉換關系和碰撞力隨時間變化的曲線.目前，在結構響應方面的研究很少，特別是船體板在浮冰碰撞載荷沖擊下的應力和應變分布以及不同沖擊參數的影響.Zhu等[6-10]基于剛性楔形體撞擊固支矩形板這一實驗模型,對固支矩形板的應力/應變進行了研究分析，為受撞擊板的失效分析提供了有用信息.Zhu等[11]對船冰重復碰撞問題的機理進行了探索，利用剛塑性理論得到設計曲線和設計公式.在此基礎上，Zhu等[12]對剛性塊和實際冰與典型船體板碰撞進行了數值仿真，提出一種可以保守估計局部冰載荷計算方法.Zhu等[13]分析不同碰撞接觸面下船-冰碰撞所導致船體板損傷的異同，得到了考慮冰體損傷引起的船體板的變形即能量吸收折減比.

文中在水平沖擊試驗機上開展了鋼板與楔形冰的水平撞擊實驗，探討船體板在浮冰載荷作用下的塑性變形，并指導數值仿真，驗證了數值仿真的可靠性.采用有限元軟件LS-DYNA對不同參數如楔形冰的沖擊速度、楔形冰的質量、以及鋼板厚度等參數來分析不同碰撞工況下的船體板的動態響應.期望數值仿真結果可以為受到冰碰撞載荷的船舶結構設計提供有用的信息.

1 實驗研究

1.1 實驗裝置

實驗采用自行設計的水平沖擊試驗裝置，見圖1.該實驗裝置由五部分組成：基座、夾具系統、沖擊車、軌道及牽引系統.

圖1 水平沖擊試驗設計圖

本實驗中，鋼板四周通過夾具系統與螺釘固定到基座上，達到四周剛性固定的邊界條件.沖擊車由電磁鐵通電吸引，與電磁鐵連接的繩索可將沖擊車拉到合適的位置，再斷電釋放，以保證沖擊車獲得不同的撞擊速度.

實驗中采用壓電陶瓷傳感器測量加速度時間曲線，緊密連接于沖頭背面，采樣頻率為51 200 Hz.另外，采用感應式光電傳感器采集沖擊車的沖擊速度以及回彈速度.

1.2 冰的制作

在對冰模具進行設計時，首先考慮到沖擊車的形狀、質量、重心，楔形冰的形狀、重心等情況，其次由于楔形冰碰撞破碎后會拉近沖擊車與試板的距離，為保證沖擊車不會脫離軌道，對模具前端的尺寸進行調整，設計了冰模具見圖2a).

圖2 實驗制冰模具及實驗用冰

在冰模具組裝好后，采用防水玻璃膠對模具前端和后端連接處進行防水密封.將冰模具底部用防水密封膠同可拆卸泡沫板連接，該泡沫板可切成合適的形狀.經過1 d左右的時間，防水密封膠晾干.先向模具中注入少量的水，待確定模具完全不漏水，密封性良好.將冰模具放入低溫冰箱中，調節溫度至-15 ℃，向模具中注水后，約3 d左右楔形冰成功凍好，見圖2b).

實驗選取1 200 mm×400 mm×1.0 mm的試板，實驗冰為楔形冰，質量為17.5 kg，沖擊車自重為68.0 kg，總質量為85.5 kg.楔形冰初速度2.56 m/s，碰撞位置為鋼板中心位置處.

2 數值仿真建模

運用非線性有限元軟件LS-DYNA version 971對船體板-冰碰撞模型進行數值仿真，選取鋼板材料為Q235低碳鋼.鋼材是應變率敏感性材料，屈服應力及極限拉伸強度隨應變率而增加.在碰撞分析時，應考慮材料的應變率效應對材料特性的影響，文中采用Cowper-Symonds本構方程[14-16].選取LS-DYNA材料庫中的塑性動態模型，即Plastic Kinematic Model來模擬鋼板的材料屬性，其參數設置見表1.

表1 船體板材料參數

冰的材料屬性非常復雜，研究人員對冰的材料特性進行了許多模型試驗以及數值模擬，但結論仍然存在相當大的爭論.因此，文中開展了冰的壓縮試驗，見圖3，獲得了冰的基本的材料參數.文中選取了LS-DYNA材料庫中各向同性彈塑性失效的冰數值模型.該模型可以體現材料的塑性強化階段，模擬裂紋的宏觀擴展.表2為冰材料模型中使用的基本材料參數，見文獻[17].

圖3 冰的單軸壓縮試驗

在有限元建模過程中，模型為面與面侵蝕接觸，定義鋼板為主面，楔形塊為從面.網格過粗將得到比實際偏高的碰撞力結果，網格過細將導致計算時間增加.鋼選取Shell單元將網格劃分為33 mm的正方形網格，總單元數為864.楔形冰選取Solid單元，網格大小為20 mm，總單元數為28 130.鋼板的邊界設置為四周剛性固定.

表2 冰材料模型參數(*MAT_013)

3 結果與討論

3.1 實驗和數值仿真對比

通過鋼板-楔形冰碰撞實驗，主要得到：①板的變形情況；①冰的破損情況.碰撞過程見圖4.

圖4 鋼板-楔形冰碰撞瞬間

實驗和仿真過程描述：楔形冰開始與鋼板接觸，加速度迅速上升，由于冰的特性，在碰撞過程中楔形冰破碎，導致加速度呈抖動下降趨勢.在數值仿真過程中，當等效塑性應變超過失效應變或壓力小于截斷壓力時，失效單元將會被刪除，以此來模擬楔形冰碰撞破碎的情況.實驗采集到的加速度進行簡單的濾波，得到較好的數據，見圖5.由圖5可知，數值仿真結果與實驗結果吻合得較好.然而，由于楔形冰破碎的不確定性，導致加速度圖線下降階段差別比較大.

圖5 實驗和數值仿真的加速度對比

鋼板-楔形冰數值仿真中，鋼板的材料本構關系是通過拉伸試驗得到的，楔形冰的基本參數是通過冰的單軸壓縮試驗得到的，合適的單元算法能夠保證整個結構位移場的高階連續性；這些因素的確定都保證真正做到模擬鋼板-楔形冰碰撞實驗，且數值仿真結果和實驗結果有較好地一致性，說明數值仿真模型和方法的可靠性.

3.2 仿真結果

圖6是數值仿真中楔形冰撞擊鋼板的過程示意圖，由圖6可知鋼板和楔形冰的等效應變情況.在整個碰撞過程中比較關心的是這3個時刻：①楔形冰與鋼板剛開始接觸時刻，見圖6a)；②鋼板產生最大撓度，同時楔形冰速度減小到零的時刻，見圖6b)；③楔形冰回彈至于鋼板分離的時刻，見圖6c).楔形冰與鋼板碰撞時，出現破碎情況，即失效的冰材料單元將會被刪除，當速度降到零時楔形冰開始回彈，直至與鋼板分離，這一過程中最大等效應變為0.045 24.

圖6 鋼板-楔形冰碰撞過程

4 參數研究

4.1 冰的質量及速度的影響

為研究楔形冰質量和速度對被撞板的結構動態響應的影響，選擇不同的質量和速度組合形式來評價楔形冰對船體板的碰撞沖擊載荷.選擇楔形冰的質量分別為1 000，2 000和3 000 kg，沖擊速度為2，3和4 m/s.

圖7為楔形冰在三種不同沖擊速度和質量下所對應的船體板的量綱一的量最大撓度值及楔形冰的量綱一的量回彈速度值.由圖7a)可知，隨著楔形冰撞擊速度的增加，船體板的量綱一的量最大撓度值呈線性增長.在速度相同時，楔形冰的質量越大，船體板的量綱一的量最大撓度值越大.較大的質量和速度會造成更大的變形.

當撞擊速度相同時，楔形冰的量綱一的量回彈速度值隨著質量的增大而減小，見圖7b).對于一個給定的結構，最大彈性應變固定不變.當外部沖擊能量比最大彈性應變能大得多的時候，其沖擊能量就耗散在板的塑性變形中.由于浮冰破碎的不確定性和破碎時能量的耗散，會出現上下波動的情形，并不是完全呈線性增長的趨勢.

圖7 楔形冰質量和沖擊速度對結構動態響應的影響

4.2 板厚的影響

選取了五種不同板厚在楔形冰質量為m=1 000 kg，初速度為v0=3 m/s條件下進行的數值模擬仿真.在不同板厚情況下，楔形冰的量綱一的量最大撓度值及量綱一的量永久撓度值，見圖8.隨著板厚的增加，量綱一的量最大撓度值以及量綱一的量永久撓度值相應的減小，同時，曲線逐漸趨于平緩.當厚度大于某個值時，可以通過增加板厚來提高抗沖擊能力.

圖8 板厚的影響

在抵抗浮冰碰撞的實際設計中，質量和速度的適用范圍可以根據具體的冰況統計數據得到.一旦上述變量已經給定則板厚就成為了決定船體板最大撓度的唯一影響因素.

5 結 論

1) 采用非線性動態有限元軟件可以對整個船-冰碰撞過程進行較好地描述.并且該方法經過實驗驗證，已證明其可行性.這一方法對航行于北極水域的船舶在結構設計與優化方面的研究具有重要意義.

2) 撞擊參數對船舶板的特性有很多方面的影響，不同的參數會導致不同的動力響應.根據在某些特定情況下提出的船舶碰撞模型的計算，如果參數從較為權威性、普遍性和一般性的統計數據得到的話，這一碰撞模型將更具有普適性.下一步將會從不同參數情況下楔形塊剖面面積等方面進行研究.

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Dynamic Analysis of Ship Plates under Ice Floes Impact

YAN Mengjiao ZHU Ling

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Ship plate-ice collisions are carried out by finite element simulation and the dynamic responses of ship plate’s characteristics are studied. Ship plate-ice experiments are conducted using a horizontal impact machine. The numerical results reach good agreements with the experimental results. Furthermore, the effects of collision parameters in dynamic response and plastic deformation are investigated numerically. The results show that the dimensionless maximum deflection value and the dimensionless permanent deflection value decrease with the increase of the plate thickness. The larger the ice mass is, the larger the dimensionless maximum deflection value is. With the increase of the impact velocity of the ice, the dimensionless maximum deflection value of the ship plate increases almost linearly.

ice load; ship-ice collision; numerical simulation; structural dynamic response; experimental verification

2017-02-10

*中央高校基本科研業務費專項資金資助(2017II04XZ)

U661.7

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.018

閆孟嬌(1990—)：女，碩士生，主要研究領域為船-冰碰撞動力響應