方槽型縱骨船舶抗冰結構冰撞動響應實驗研究*

劉俊杰，劉 昆，從曙光，董海波，夏勁松

（1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003）

全球氣候變暖引起北極冰川消融，北極航道已逐漸開通。作為海上主要交通工具的船舶，在極地航道利用和資源開發等方面，發揮著不可替代的作用。然而，船舶在極地航行、作業時會面臨海冰碰撞的威脅，船-冰碰撞輕者會造成船體結構變形，重者會造成船體殼板破裂，引起艙室進水，導致船舶在冰區被困甚至沉沒。1912年4月，英國巨型游輪泰坦尼克號與冰山碰撞，引起船體破裂、進水，導致船體斷裂、沉沒，造成1500余人喪生。2019年1月，我國雪龍號極地考察船與冰山發生碰撞，造成船艏桅桿斷裂，船體舷側結構輕微受損。

隨著極地開發熱潮的到來，極地船舶結構安全已成為關注熱點。針對船-冰碰撞結構動響應的研究工作已經開展，Liu 等[1]采用顯式非線性程序LS-Dyna 對船舶與冰山碰撞的動態過程進行了數值模擬，研究了船-冰碰撞力的變化規律和冰山破碎規律。Ince等[2]提出了一種先進的模擬船舶與冰脊碰撞的非線性有限元計算方法，并通過模型實驗驗證了該方法的準確性。Kim 等[3]采用有限元方法對船舶在碎冰場中航行時海冰-結構物以及海冰-海冰之間的相互作用進行了數值模擬。張健等[4-5]采用非線性有限元法，對船-冰碰撞進行了數值模擬，研究了船艏以不同速度與不同形狀和質量的冰體發生碰撞時結構動響應特性，揭示了結構損傷變形、碰撞力和能量轉換的規律，并開展了水介質中船體板架與冰體碰撞模型實驗。然而，對船舶抗冰結構設計的相關研究開展較少，冰區船結構設計主要依據文獻[6-8]。李丹等[9]通過在船體涉冰帶舷側外板增加肋骨和縱骨數量的方法，提出了兩種LNG船舷側抗冰撞結構加強方案，盡管起到了抗冰效果，但是由于構件數量的增加，帶來了船體重量增加的問題。陳聰[10]提出了Ⅰ型和Ⅴ型兩種夾層板新型抗冰撞結構型式，通過與傳統船體結構對比，驗證了其抗冰效果，但未給出夾層板與傳統結構重量的差異，并且這類夾層板抗撞結構在實船應用中會面臨加工工藝要求高、焊接和制造難度大等問題。

本文中，以一種涉冰帶船肩處傳統板架結構為原型，采用新型方槽型縱骨替代原有縱骨，利用落錘沖擊實驗測試系統對新型抗冰結構板架和原型板架開展模型實驗，并通過與數值模擬結果對比，研究結構動響應特性和抗冰效果。

1 抗冰結構方案

1.1 船體原型結構簡化

船體原型結構為大型水面艦船左舷水線附近船肩處局部加筋板架，為了減小模型加工難度，忽略船體外板曲率，將它簡化成平板加筋板架，如圖1所示。該加筋板架由船體外板、肋骨和縱骨3類構件組成，其中肋骨為T 型材，縱骨為角鋼，板架主尺度為長1 500 mm、寬（船體垂向）2 800 mm、縱骨間距360 mm。

圖1 船體原型結構和簡化加筋板架結構Fig.1 Hull structure and simplified stiffened plate structure

1.2 抗冰結構方案

船舶原型結構上進行抗冰結構設計應當考慮3個主要約束條件：（1）應當保證新結構型式的應用不影響船舶在敞水區域波浪載荷環境下的結構性能，即應用對象船體總縱強度和受局部砰擊載荷作用下的結構強度不小于原結構強度；（2）新結構型式的應用不會造成船體結構增重，從而帶來建造成本增加；（3）新結構的應用不會引起船舶加工、建造難度的顯著增加。

綜合考慮上述約束條件及船舶與冰層碰撞載荷的作用特征，本文中主要對加筋板架結構的縱骨進行改進設計。目前，船舶結構中常用的縱骨類型主要有角鋼、球扁鋼和T型材，在對采用多種型式橫截面縱骨板架結構抗冰效果的數值模擬結果對比的基礎上，提出了一種新型方槽型截面縱骨，用以替代原結構中的角鋼截面縱骨，兩種縱骨橫截面面積基本相等，既能保證新抗冰板架結構的重量與原結構相近，也能保證船體在承受波浪載荷下的船體板架及縱骨應力響應不小于原結構。圖2為新型方槽型縱骨抗冰板架結構及縱骨橫截面。

圖2 方槽型縱骨抗冰板架結構和縱骨橫剖面Fig.2 An anti-ice plate structure with square groove longitudinals and its transverse section

表1 原型縱骨與方槽型縱骨結構參數對比Table 1 Comparison of structural parameters between two kinds of longitudinals

2 實驗裝置和實驗模型

2.1 實驗裝置

利用落錘沖擊實驗測試系統完成相關實驗，如圖3所示，其主要由電器操作系統、動力驅動系統、數據采集系統、主機框架、錘體結構、試件支座裝置等組成。主體高6.3 m，錘頭距支座的距離可在0～3.7 m 范圍內調整，因此，該裝置的最大撞擊速度可達到8.5 m/s。錘體系統的最大質量為1 350 kg，包含12個12.5 kg 的配重塊，可以用來調節落錘的撞擊質量。試件支撐裝置直接與地基連接并具備足夠的剛度，實驗板架四周焊接在支座內邊緣上，以保證提供足夠強的剛性約束，可有效降低分析時邊界模擬的復雜性。

圖3 實驗裝置和試件固定支座Fig.3 Experimental system and supporter for fixing specimens

利用上述實驗裝置開展冰體撞擊船體板架結構動響應實驗時，需將錘頭用冰體代替，并且固定在錘體上，根據實驗所需撞擊速度，將錘體提升至指定高度，然后釋放，自由下落撞擊固定在支座上的板架結構。通過測量落錘的加速度變化，可推算撞擊過程中的撞擊力變化，采用激光位移跟蹤器測量受撞板架的結構變形量。

2.2 實驗模型

綜合考慮實驗裝置支座的尺度、板架邊界條件對結構變形的影響及抗冰效果驗證需求等，實驗加筋板架模型采用混合縮尺比（主尺度比例λ =1∶3，板厚比例 λ =1∶4）對原型板架和抗冰板架結構進行縮尺，并在邊界上作適當延長，實驗板架模型采用普通船用鋼Q235制作，如圖4～5所示，模型主尺度為長1 000 mm、寬（船體垂向）1 000 mm、縱骨間距120 mm。

圖4 原型加筋板架Fig.4 A prototypestiffened plate

圖5 抗冰加筋板架Fig.5 An anti-ice stiffened plate

冰體錘頭實驗模型利用專用模具并采用自來水凍結而成。如圖6所示，錘頭為錐形剖面，冰體錘頭的質量為17.15 kg。實驗前對冰體主要力學性能參數進行測量，用于數值模擬計算時使用。

圖6 冰體錘頭實驗模型Fig.6 The experimental model of the ice hammer head

3 實驗工況及結果分析

3.1 實驗工況

采用兩種撞擊速度（冰體落體高度）開展原型結構板架和抗冰結構板架的實驗：工況1的冰體落體高度為2.8 m，對應的撞擊速度為7.41 m/s；工況2的冰體落體高度為3.2 m，對應的撞擊速度為7.92 m/s。實驗前，冰體錘頭垂直于板架平面，且兩者重心在同一垂線上，模型狀態及冰體在板架模型上的撞擊位置如圖7所示。通過調整實驗裝置中卸力彈簧高度（見圖3），可以防止實驗過程中因冰體破碎而造成鋼質錘體撞擊到板架模型。

圖7 實驗前模型狀態和板架受冰體撞擊區域Fig.7 The model state beforeexperiment and theimpact zone on thestiffened plate

3.2 實驗結果分析

圖8為板架受撞過程中的冰體破碎現象，可以看出，隨著冰體與板架的接觸，冰體瞬間碎裂，并向四周崩射，受撞區板架產生了明顯的凹陷。

圖8 撞擊過程中的冰體破碎過程Fig.8 Ice breaking in theprocessof impact

對實驗后板架的外板垂向變形量進行測量，圖9～10為工況1原型結構板架和抗冰結構板架的變形狀態。由圖可見，在冰體撞擊下板架產生了塑性變形，受撞區外板產生凹陷，原型結構中間縱骨腹板發生失穩傾倒，基本喪失承載能力，而抗冰結構方槽型縱骨變形程度較輕，具有更優的抗冰效果。以外板水平面中心為坐標原點，以縱向（縱骨方向）為x軸、橫向（垂直于縱骨方向）為y軸，建立坐標軸，圖11為兩種板架外板中間縱向和橫向變形對比圖，可以看出，外板中間縱向結構變形呈U 形，而橫向結構變形呈V 形，這種變形特征與冰體的形狀有關。從撞擊造成的外板凹陷程度對比，原型和抗冰結構板架外板最大凹陷深度分別為74.4和69.5 mm，表明抗冰結構可以減小冰體撞擊造成的船體殼板變形，具有一定的抗冰效果。工況2測得的原型和抗冰結構板架外板最大凹陷深度分別為80.4和77.0 mm，可以得到與工況1相同的結論。

圖9 原型結構板架變形Fig.9 Structural deformation of the prototypestiffened plate

圖11 外板凹陷變形量Fig. 11 Shell plate depression

通過布置在錘體上的加速度傳感器，測得工況1中撞擊引起的錘體加速度變化如圖12所示。可以看出，加速度呈明顯的非線性特征，發生一次較大、明顯的脈沖現象，加速度在上升過程中會出現多次小峰值卸載現象，這是由于冰體的破碎失效引起的。加速度響應主要集中在0～0.06 s，表明冰體撞擊板架是一個瞬態動響應過程。在0.07 s后加速度出現了震蕩現象，由實驗錄像發現，引起這種現象的主要原因是冰體破碎后錘體兩端與卸力彈簧發生了接觸，造成錘體垂向上的震蕩，并非冰體撞擊板架引起。根據公式F=ma可以計算板架受到的冰體撞擊力，其中冰頭和錘體的總質量m為1 367.15 kg。由于相同工況下撞擊物的質量相同，因此，兩種板架受到的撞擊力的對比可直接通過錘體加速度進行對比。可以看出，采用方槽型縱骨抗冰結構板架受到的撞擊力大于原型結構板架，表明該抗冰結構提高了受撞區板架的剛度。圖13為兩種工況下抗冰結構板架受撞引起的錘體加速度變化，可見撞擊速度越高，撞擊產生的加速度變化最大峰值越大，即撞擊力越大。

圖12 不同板架結構錘體的加速度曲線Fig.12 Acceleration curvesof hammers with different plates

圖13 不同工況下錘體的加速度曲線Fig.13 Acceleration curves of hammers in different cases

4 實驗與數值模擬結果對比

采用MSC.Dytran 程序，對撞擊速度較高的實驗工況2進行數值模擬。圖14～15分別為原型結構板架和抗冰結構板架外板凹陷變形的實驗結果和模擬結果對比，可以看出，兩者的外板變形特征相似。原型結構板架外板最大凹陷深度的實驗結果和模擬結果分別為80.4和73.3 mm，以實驗結果為基準，數值模擬結果相差8.83%；抗冰結構板架外板最大凹陷深度的實驗結果和模擬結果分別為77.0和69.5 mm，數值模擬結果相差9.74%。數值模擬結果同樣表明，抗冰結構可以減小冰體撞擊造成的船體殼板變形，具有抗冰效果。

圖14 原型結構板架變形實驗與模擬結果對比Fig.14 Comparison of prototype structural deformation between experiment and simulation results

圖16為冰體撞擊兩種板架產生撞擊力的實驗結果和模擬結果對比，可以看出，兩種撞擊力曲線變化特征相似，撞擊持續時間約為0.06 s，撞擊力曲線具有明顯的非線性特征。冰體撞擊板架過程中，撞擊力整體呈現一次明顯的大型脈沖，并伴隨著多次因冰體破碎失效引起的撞擊力峰值卸載。冰體撞擊原型結構板架的撞擊力最大值實驗結果為359.6 kN，模擬結果為295.1 kN，以實驗結果為基準，模擬結果相差17.94%；冰體撞擊抗冰結構板架的撞擊力最大值實驗結果為373.4 kN，模擬結果為321.7 kN，模擬結果相差13.85%。對比兩種結構的撞擊力響應特征，數值模擬可以得到與實驗相類似的結論。

圖15 抗冰結構板架變形實驗與模擬結果對比Fig.15 Comparison of anti-ice structural deformation between experiment and simulation results

圖16 撞擊力的實驗和模擬結果對比Fig.16 Comparison of impact forces between experiment and simulation results

模擬結果與實驗結果存在偏差，產生這種現象的原因很多，如數值模型無法真實模擬實際板架結構的初始變形和缺陷等、冰體材料力學特性的復雜性和不穩定性，還有本文中撞擊類動態實驗本身也存在諸多不確定性因素。但是，上述實驗和模擬結果表明，數值模擬方法可以模擬船-冰碰撞過程中結構動響應的主要特征，因此可在工程實際中應用。

5 結 論

針對船-冰碰撞引起的船體結構損傷問題，提出了一種方槽型縱骨抗冰板架結構，通過冰體落體撞擊板架實驗，驗證了該結構的抗冰效果，并與數值模擬結果進行了對比分析，得到以下結論。

（1）采用新型方槽型縱骨替換船體原傳統縱骨，能提高船體板架抵抗冰體碰撞的能力，該抗冰結構基本不會造成船體重量增加，也不會影響船體其他結構性能。

（2）船-冰碰撞屬于動態過程，因冰體的脆斷特性，撞擊力作用時間較短且撞擊力非線性特征非常明顯。冰體撞擊速度越大，船體板架產生的撞擊力也越大，相同冰體撞擊工況下抗冰結構板架受到的撞擊力略大于原型結構板架，表明方槽型縱骨提高了船體局部板架的剛度。

（3）船體板架在冰體撞擊下會產生結構變形，受撞區外板會產生凹陷，撞擊速度越高，凹陷程度越嚴重。冰體撞擊實驗中，受撞區原型結構板架的縱骨腹板發生失穩傾倒，基本喪失承載能力，而抗冰結構方槽型縱骨變形程度較輕，仍具承載能力，表明抗冰效果明顯。相同冰體撞擊工況下，抗冰結構外板凹陷程度小于原型結構，可對船體內部構件或設備起到防護作用。