冰區航行船層冰作用下的結構響應

金 言，胡嘉駿，劉俊杰

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

冰區航行船層冰作用下的結構響應

金 言，胡嘉駿，劉俊杰

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

船冰碰撞是一個復雜的動力學過程，如何得到碰撞中的冰載荷一直是船舶碰撞研究領域的熱點之一。本文分別建立300 000 t 冰區航行船和層冰的有限元模型，基于彈塑性理論及非線性有限元理論，利用MSC.Dytran對其碰撞進行數值仿真，模擬了船首及層冰的接觸碰撞過程，最終得到船冰碰撞過程中的碰撞力、船首結構響應、船航速變化及能量耗散等參數。分析船冰碰撞過程中的碰撞機理及特性，并對冰區航行船特別是其船殼提出結構加強的建議，為設計冰區航行船提供一定的參考。

層冰；冰載荷；非線性有限元；結構響應

0 引 言

根據美國地質研究機構（USGS）在2008年估計，在北極圈大約擁有占世界30%的未開發的天然氣和13%未開發的石油。在全球能源需求不斷增長的情況下，去北極圈開采石油、天然氣成為近年來的趨勢，北極地區也被認為是僅次于中東的第二大油田。“西北航道”（加拿大沿岸）以及“東北航道”（西伯利亞沿岸）的開通也促使更多的船舶經過北極航道運輸貨物[1-3]。然而，北極地區環境條件嚴酷、冰情極其復雜，冰區船舶必須進行特殊設計才能夠抵抗惡劣的天氣。所以對冰區航行船的研究對我國船舶在冰區航行時安全性的提高、海上航運人員安全的保障、北極地區資源的開發利用等方面都具有重要的科研意義和經濟價值[4]。

因此，本文基于MSC.Dytran對 1 艘 300 000 t 冰區航行船與層冰碰撞進行動態仿真，對碰撞結構響應情況進行評估，并提出結構加強建議。

1 實例分析

1.1 模型簡化

研究對象為 1 艘無限航區的成品油船，該船為雙底雙殼，球鼻型首，滿載排水量為 300 000 t，船舶主尺度如表1所示。

由于船冰碰撞主要作用位置是在船首部，所以船舶其他位置的結構可以進行大量簡化，諸如中尾部船艙內部的人孔、角隅過渡、縱骨等都可進行一定的簡化處理[5]。

雖然船舶為無限航區船，但在冰區航行時會降低航速，假設船航速為10 kn，冰厚0.7 m，計算時間歷程為4 s。參考相關參考文獻，由于層冰方向航行長度不足20 m，所以假設冰寬80 m，約為撞深的 4 倍；船寬為60 m，取層冰長度160 m，接近船寬的 3 倍[6]。

1.2 材料定義

船用鋼參數如表2所示。

表1 船舶主尺度Tab.1 The principal dimensions of the ship

表2 300 000 t 油船材料參數[7]Tab.2 The material of the 300 000 t oil tanker

層冰參數如表3所示。

表3 冰體材料參數[8–9]Tab.3 The material of the level ice

1.3 流固耦合的影響

由于船冰碰撞中涉及到水，一般處理流體影響的方法有：流固耦合、附連水質量法、等效船體梁法。一般附連水質量大約是船體質量的0.02～0.07倍，此處設為0.05，所以船舶質量為[6]：

其中mship為船舶排水量300 000 t。針對流固耦合及附連水質量法進行比較分析，圖1為 2 種方法的接觸力及冰吸能情況。

接觸力的趨勢以及量級都大致相同，能量吸收過程中最大誤差也僅僅差3.15%，考慮到流固耦合計算用時163 h，而附連水質量法只耗時6 h，所以在誤差范圍內可以考慮用附連水質量法進行計算。

1.4 網格大小

由于碰撞區主要為船首，所以船首盡量使用較為精細的網格，但是網格大小很難有一個通用的公式確定，試算 400 mm，300 mm，200 mm，100 mm的網格，發現船首碰撞應力云圖差距較大，網格越精細，細節越明顯，如圖2（a）為 200 mm 網格云圖，圖2（b）為100 mm網格云圖，云圖精細程度相差較大。所以繼續細化網格，計算50 mm大小的網格，如圖2（c），結果精細程度與100 mm差不多，考慮到計算時間比100 mm網格計算時間多40%，所以對于涉冰帶（水線附近外板、肋骨等結構）的網格采用100 mm×100 mm的面單元，其他與冰未接觸以及離涉冰帶距離較遠的結構采用500 mm×500 mm的面單元。冰的單元尺寸按照經驗設為500 mm×500 mm×350 mm的體單元[6]。

1.5 其他參數

經過試算后，船體外板結構應變不大，不至于產生自接觸，所以只采用外板與層冰的自適應接觸。為避免“砂漏（Hourglass）”現象的出現，在劃分單元網格時，從面尺寸要比主面的更加細密，所以設置冰體為主接觸面，船外殼為從接觸面。為了模仿船體與大塊層冰的接觸，將層冰的三邊固支。

2 計算結果分析

2.1 等效應力云圖

在船接觸層冰的瞬間，冰的壓力分布是呈扇形的由接觸點向周圍輻射，越靠近接觸點應力越大；在船與冰接觸過程中，層冰上的應力呈圓周式分布并向四周擴散，船前行過程中將冰撞碎，并在層冰上形成船水線的形狀，雖然壓力分布也呈輻射狀，但是并沒有剛接觸時那么集中，高應力位置主要集中在接觸的周邊，如圖3所示。

船體應力分布主要集中在船首涉冰區，隨著船體撞擊的深入，應力在涉冰區不斷向四周擴散，遠離涉冰帶之后應力迅速減小，離涉冰區3 m外基本應力就很小了，到船中尾部基本無影響，如圖4（a）所示。在船體內部的應力則主要集中在涉冰帶附近的肋骨上，最大變形量為0.12，雖然產生塑性變形，但是船體沒有發生破壞，如圖4（b）所示。

2.2 冰載荷及速度時間歷程圖

圖5（a）～圖5（c）分別為船與冰碰撞時候X（船首為X正方向）、Y（左舷為Y正方向）、Z（船上部為Z正方向）方向接觸的總力，可以明顯看到X方向的力遠大于Y和Z方向的力，這是由于X方向為正碰撞方向，YZ方向的力主要是由于摩擦力引起的受力，隨著船舶碰撞時候的上下震動，導致受力方向的不斷變化。X方向冰載荷有不斷變大的趨勢，這是由于隨著接觸的進行，船冰接觸的面積越來越大，總的接觸力也不斷增加，峰值為17.57 MN，出現在2.1 s處。從圖中可看出，在與船舶與冰接觸過程中，每次船舶與冰接觸時，冰載荷都出現一個峰值，然后迅速回落。這是由于冰與船接觸時，冰層達到破壞強度極限發生破碎，層冰的破壞導致船舶與下一個層冰接觸點之間存在間隙，使得冰載荷迅速回落。當船與層冰碰撞過程中再次上述過程，致使碰撞力產生一系列的峰值。碰撞過程中隨著接觸力的改變，船航行速度也不斷波動減小。

2.3 能量吸收曲線

船撞冰過程中的能量主要來源于船體運動的動能，該能量在碰撞過程中將發生轉化與耗散，在碰撞結束后，船舶初始動能主要轉化為：

1）船舶的剩余動能；

2）冰體因受撞而獲得的動能；

3）船體結構變形所吸收的的能量；

4）冰體破損吸收的能量；

5）計算過程中耗散的少量摩擦能及沙漏能[9]。

如圖6（a）和表4所示，船首結構的總吸能絕大部分是由舷側外板、舷側縱骨和橫艙壁吸收，他們的吸能占到總吸能的89.3%。可見舷側外板、舷側縱骨和橫艙壁是主要的吸能構件。

為了提高舷側結構的耐撞性能可以從改變舷側外板、舷側縱骨和橫艙壁的厚度以及它們本身的材料上考慮。當然從最經濟有效的措施考慮肯定是加強外板的性能，然而外板的面積很大，從圖6（b）可看出，在涉冰帶的碰撞區的外板吸能占總外板吸能的69.2%。所以最有效的加強方式為加固船首涉冰帶的外板。

表4 各結構吸能表Tab.4 The energy dissipation of different components

3 結 語

本文運用MSC.Dytran有限元軟件，主要對船冰碰撞的材料屬性、有限元建模和接觸定義等關鍵技術問題進行碰撞特性研究和分析，得出船冰碰撞相關的耐撞性能得出以下結論：

1）流固耦合方法及附連水質量法在本船型與層冰的作用中對碰撞力及能量吸收的影響不大，可以用附連水質量法計算此模型。

2）船與層冰碰撞過程中冰處于接觸—擠壓—破碎—無接觸—再接觸過程中，而碰撞力有很明顯的加載—卸載現象，并且冰載荷的主要載荷方向為船行進方向。

3）船首結構的總吸能絕大部分是由舷側外板、舷側縱骨和橫艙壁吸收，其中接觸區域的碰撞外板吸能比例占到總外吸能的69%。所以要提高舷側結構的耐撞性能可以從改變涉冰區外板厚度、結構及材料上著手。

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[3]宋艷平. 極區油船與冰碰撞的非線性有限元仿真研究[D]. 大連: 大連海事大學, 2014.

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[5]梁友慶. 基于MSC. Dytran的13000t成品油輪船冰碰撞的性能分析[J]. 南通航運職業技術學院學報, 2013, 12(4): 48–52. LIANG You-qing. Analysis of the collision characteristics of the 13000t oil tanker based on msc. dytran[J]. Journal of Nantong Vocational & Technical Shipping College, 2013, 12(4): 48–52.

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[8]WANG Bo. Ship and ice collision modeling and strength evaluation of LNG ship structure[D]. Portugal: OMAE, 2008.

[9]劉星, 極地破冰船的新型破冰結構研究[D]. 江蘇: 江蘇科技大學, 2014.

Structural dynamic response of the ice navigating ship in level ice

JIN Yan, HU Jia-jun, LIU Jun-jie
(China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)

Since the impact between the ice navigating ship and the sea ice is a complicated dynamical procedure, it is one of the key issues in ship-ice collision research to get the ice load between ship and ice. The main work in this paper is establishing the FEM models of a 300 000 tons ice navigating ship and the level ice to simulate the contact between them by using MSC.Dytran based on the elastic-plastic theory and the nonlinear finite element theory. In the end, the collision force, structural dynamic responses of damage deformation of the ship, the change of the ice navigating ship velocity and the energy dissipation in this process and etc. The collision mechanism and the characteristics in the contact process between the ship and ice are analyzed, and it provides reference for anti-ice load structural design of the ice navigating ships by offering some proposals to reinforce the structure of the shell in this ice navigating ship.

level ice；ice load；nonlinear finite element；structural response

U663.1

A

1672 – 7619(2017)06 – 0033 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.007

2016 – 10 – 17；

2016 – 11 – 24

金言(1990 – )，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事冰載荷、船舶與海洋工程結構強度研究。