低溫極端載荷作用下船艏結(jié)構(gòu)損傷演化過程研究

趙南，汪高飛，葛辛辛，李飛，張占陽

（1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；2.深海技術(shù)科學(xué)太湖實驗室，江蘇 無錫 214082）

北極圈油氣和各類礦產(chǎn)資源十分豐富，目前已經(jīng)成為各國索取資源的供給基地[1]。同時，隨著全球氣候變暖和北極冰蓋融化進(jìn)程的加速[2]，北極航道的通行窗口期將越來越長，人類在北極的各種商業(yè)、科學(xué)考察等活動也將更加頻繁。中國作為鄰近北極圈的重要大國和國際貿(mào)易強國，政治、經(jīng)濟(jì)、科技等方面都受到北極環(huán)境變化的重大影響。針對這一現(xiàn)狀，我國也在積極應(yīng)對，并于2018 年1 月發(fā)布了《中國的北極政策》白皮書[3]，目前已經(jīng)承接部分冰區(qū)船訂單，并對大型冰區(qū)船舶進(jìn)行了技術(shù)上的研制開發(fā)。

自20 世紀(jì)90 年代至21 世紀(jì)初，主要針對船-船碰撞、船-橋碰撞等開展了大量研究。Paik 等[4]開展了觸底狀態(tài)下船舶結(jié)構(gòu)的耐撞性研究。李江濤等[5]開展了擱淺于剛性斜坡下船舶結(jié)構(gòu)的耐撞性研究。趙南等[6-7]進(jìn)行了補給作業(yè)船碰撞場景確定及損傷環(huán)境仿真分析。近10 余年來，針對極地環(huán)境，國內(nèi)外學(xué)者也開展了大量實驗和仿真分析。劉俊杰等[8]開展了油船結(jié)構(gòu)與浮冰碰撞仿真分析，獲得了油船結(jié)構(gòu)響應(yīng)。Bruce[9]、Kim[10]、Abdullah[11]、Martin[12]等開展了冰載荷作用下的板架結(jié)構(gòu)損傷變形試驗和仿真分析，研究了冰載荷作用下加筋板的損傷變形情況等。袁光奇[13]開展了導(dǎo)管架平臺附近碎冰堆積過程模型試驗研究，揭示了碎冰堆積過程機(jī)理。黃焱等[14-15]、蔡柯等[16]、Antonio[17]、Holm[18]、Marnix[19]開展了船冰碰撞載荷模型試驗研究以及仿真技術(shù)研究等，得到了冰載荷時空分布規(guī)律及統(tǒng)計規(guī)律等。閆巖[20]基于數(shù)值仿真方法開展了冰載荷計算，并獲得了該載荷作用下加筋板結(jié)構(gòu)的承載能力。Bahar[21]基于IACS 規(guī)范開展了FPSO 結(jié)構(gòu)響應(yīng)及失效機(jī)理。Abraham[22]、Mihkel[23]、Liu[24]等基于數(shù)值仿真方法開展了船冰相互作用下船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析及承載能力研究。

總體來說，目前對于船舶在浮冰中航行的冰載荷特性、結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究以及冰體與板架結(jié)構(gòu)相互作用的模型試驗研究較多，大型以及實船船冰相互作用模型試驗研究較少，且目前對于如冰山、冰脊極端載荷作用下的船舶結(jié)構(gòu)損傷演化過程的研究較少。因此，本文將針對低溫以及極端載荷作用下的船舶艏部結(jié)構(gòu)損傷演化過程進(jìn)行仿真分析，掌握各主要性能參數(shù)對損傷演化過程的影響規(guī)律，為極端環(huán)境下船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計及評估方法提供技術(shù)支撐。

1 典型船冰相互作用場景

船舶航行在極地水域時，其艏部及涉冰帶結(jié)構(gòu)可能與浮冰、冰脊、冰山等發(fā)生接觸碰撞。對于船舶與浮冰發(fā)生的常規(guī)碰撞，主要發(fā)生在船舶回轉(zhuǎn)運動時舷側(cè)涉冰帶結(jié)構(gòu)、船舶直線航行時艏尖結(jié)構(gòu)等。對于船舶與冰脊或冰山發(fā)生碰撞情況，主要考慮到氣候條件的影響（如陽光輻射、霧氣影響）、船員偶然操作失誤、探測儀器設(shè)備失效或誤判等因素。如雪龍?zhí)栐?019 年時曾因濃霧遮擋，能見度極地的環(huán)境下與冰山相撞，泰坦尼克號在天氣晴朗情況下與冰山相撞，導(dǎo)致舷側(cè)進(jìn)水，船體斷裂而沉沒[25]。對于極端環(huán)境條件，主要的船冰相互作用可以概括為：船舶艏部撞擊冰山（見圖1a）、船舶應(yīng)急避險時舷側(cè)撞擊冰山（見圖1b）以及船舶快速行駛騎冰脊（見圖1c）等3 種場景。本文主要針對前兩種場景開展艏部結(jié)構(gòu)在低溫極端環(huán)境下的損傷演化過程分析。

圖1 極端船冰作用場景Fig.1 Extreme ship-ice action scenarios:a) Scenario 1;b) Scenario 2;c) Scenario 3

2 仿真模型建立及材料本構(gòu)

2.1 船體結(jié)構(gòu)建模及材料本構(gòu)模型

文中采用等效船體梁方法[26]開展局部立體結(jié)構(gòu)失效機(jī)理研究，對可能與海冰接觸并發(fā)生變形的艏部進(jìn)行了詳細(xì)的有限元建模，細(xì)化區(qū)域的甲板、外板、縱桁、橫梁及骨材等所有結(jié)構(gòu)均采用殼單元建立，定義為彈性體。對于遠(yuǎn)離碰撞發(fā)生區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化建模，定義為剛體材料，以提升計算效率，并通過改變不同站位材料密度方式調(diào)整重心位置、重量等與實船一致。其中，遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域長度為141 m，艏部細(xì)化區(qū)域長度為46 m，寬度為16.5 m，型深為17 m，有限元模型見圖2 所示。模型中殼單元總數(shù)為49 631個，節(jié)點數(shù)為44 011 個。數(shù)值仿真分析過程根據(jù)工況選擇不同的初始速度，無其他約束條件。針對船舶結(jié)構(gòu)與海冰碰撞場景，其船體的附件質(zhì)量取為0.02Ms（Ms為船體排水量）[27]，海冰的附件質(zhì)量取為0.1Mi（Mi為海冰質(zhì)量）。

圖2 船體有限元模型Fig.2 Finite element model of hull

本文針對船用材料開展了–40 ℃和常溫環(huán)境下的材料力學(xué)性能測試，獲得了船用高強度鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3 所示。在保證材料曲線可以較好地模擬主要特征和變化趨勢的前提下，將材料曲線進(jìn)行合理簡化，以減少材料動態(tài)力學(xué)性能試驗工作量。圖3中給出了真實材料應(yīng)力應(yīng)變曲線以及用于數(shù)值仿真分析中的簡化應(yīng)力應(yīng)變曲線，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，常溫下對應(yīng)的屈服應(yīng)力為472 MPa，–40 ℃環(huán)境下對應(yīng)的屈服應(yīng)力為500 MPa。在–60 ℃時，該材料進(jìn)入韌脆轉(zhuǎn)變狀態(tài)。由于本文未開展相應(yīng)的材料力學(xué)性能試驗，且文中的碰撞速度變化區(qū)間較小（6～15 kn），接近文獻(xiàn)[28]中的速度，屬于低應(yīng)變率范圍，因此本文采用Cowper-Symonds 模型[29]來描述應(yīng)變率對鋼材料影響：

圖3 高強度鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of high strength steel

為了更加真實地模擬船冰碰撞，本文采用應(yīng)變準(zhǔn)則模擬鋼材失效，并根據(jù)文獻(xiàn)[8]中參數(shù)取鋼材最大塑性應(yīng)變值為0.28。

2.2 海冰建模及材料本構(gòu)模型

海冰模型采用Hex8 體單元建立，并考慮計算效率，在碰撞可能發(fā)生區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域采用大尺度網(wǎng)格。2 種碰撞場景的冰體有限元模型如圖4 所示，海冰長度方向為80 m，寬度方向為44 m，高度方向為 40 m。文中計算環(huán)境溫度包括常溫和–40 ℃，且為保證分析中考慮單一變量的影響，海冰密度統(tǒng)一取900 kg/m3。

圖4 冰山有限元模型Fig.4 Finite element model of iceberg:a) finite element model of iceberg in ship bow impact;b) finite element model of icebergs in bow side impact

在數(shù)值仿真中，將海冰材料性質(zhì)假定為各向同性。海冰失效準(zhǔn)則采用Von-Mises 準(zhǔn)則，海冰的破壞模式采用最大塑性應(yīng)變失效[30]，海冰的主要力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 冰體材料參數(shù)Tab.1 Ice material parameters

3 結(jié)構(gòu)損傷及參數(shù)敏感性分析

2 種碰撞場景下，船冰相對高度方向的位置根據(jù)冰體受到的浮力以及船體結(jié)構(gòu)吃水來確定，以保證碰撞發(fā)生的位置更加接近真實情況。對于球鼻艏及艏柱位置首先與冰山發(fā)生碰撞，主要研究球鼻艏及艏柱位置結(jié)構(gòu)損傷，并開展航速、材料本構(gòu)以及溫度影響分析。對于舷側(cè)與冰山發(fā)生碰撞情形，主要研究舷側(cè)板架結(jié)構(gòu)損傷情況，并開展不同撞擊角度下的損傷分析。通過對上述2 種碰撞場景的分析，獲得不同碰撞場景狀態(tài)下主要失效部位的失效模式，以此掌握垮塌過程失效機(jī)理。

3.1 船舶正撞冰山場景

3.1.1 航速影響分析

航速取6、8、10、12 kn 等4 種，撞擊場景見圖1a。通過圖5 可以看出，隨著航速的增大，碰撞力量值隨之增大，冰體變形能量不斷增加。4 s 后目標(biāo)船航速基本為0，對應(yīng)的撞深基本保持不變，且發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的冰體變形能也基本保持不變。

圖5 航速影響Fig.5 Effect of speed:a) collision force;b) energy

3.1.2 材料本構(gòu)模型影響分析

本節(jié)主要分析Cowper-Symonds 模型和真實材料模型對損傷過程及損傷范圍影響。本節(jié)仿真對應(yīng)的環(huán)境溫度為常溫，船體航速為10 kn。通過圖6 可知，2種材料模型下，碰撞力、能量的變化趨勢基本一致，僅在局部峰值處存在一定差異。因此，后續(xù)分析中均采用真實材料本構(gòu)模型。

圖6 材料本構(gòu)模型影響Fig.6 Effect of material constitutive model:a) collision force;b) energy

3.1.3 溫度影響分析

本節(jié)主要針對常溫和–40 ℃低溫環(huán)境下材料性能變化對目標(biāo)船垮塌過程及損傷范圍等的影響進(jìn)行分析，仿真中船體航速為10 kn。通過圖7 可知，2種材料模型下碰撞力的變化趨勢基本一致，僅在局部峰值處存在一定差異。對于常溫環(huán)境下的材料，由于材料的屈服應(yīng)力為472 MPa，小于–40 ℃環(huán)境下的材料屈服應(yīng)力。因此，采用常溫環(huán)境下材料性能參數(shù)的目標(biāo)船艏部結(jié)構(gòu)的變形能要大于采用–40 ℃環(huán)境下材料性能參數(shù)的目標(biāo)船艏部結(jié)構(gòu)的變形能。

圖7 環(huán)境溫度影響Fig.7 Effect of ambient temperature:a) collision force;b) energy

3.1.4 船艏部撞擊冰山場景

本節(jié)主要針對表2 中的4 個工況開展仿真分析，研究不同冰體塑性應(yīng)變和航速組合情況下結(jié)構(gòu)損傷過程、失效范圍，計算工況環(huán)境溫度均為–40 ℃。

表2 船艏部撞擊冰山場景計算工況Tab.2 Calculation condition for bow impact iceberg scenario

本次計算過程中的艏部結(jié)構(gòu)損傷情況如圖8 所示。通過對比分析可以得出，隨著冰體塑性應(yīng)變的增大，冰體破碎范圍逐漸減小，結(jié)構(gòu)損傷范圍逐漸增大。主要結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生在球鼻艏處，主要表現(xiàn)為球鼻艏板架結(jié)構(gòu)的垮塌，加強筋結(jié)構(gòu)的屈服失效。

圖8 球艏損傷云圖Fig.8 Damage cloud of bow:a) condition 1;b) condition 2;c) condition 3;d) condition 4

3.2 舷側(cè)部撞擊冰山場景仿真分析

本節(jié)主要針對表3 中的6 個工況開展仿真分析，研究不同撞擊角度、不同撞擊位置下的結(jié)構(gòu)損傷過程及失效模式等。其中強框位置、板格中心1 和板格中心2 位置如圖9 所示。

表3 舷側(cè)部撞擊冰山場景仿真計算工況Tab.3 Calculation conditions for side impact iceberg scene

圖9 3 個典型撞擊位置Fig.9 Three typical impact locations

由于本場景為舷側(cè)與冰山發(fā)生碰撞，其航速的確定根據(jù)敞水狀態(tài)，未及時發(fā)現(xiàn)冰山，保持15 kn 航速行駛確定。為分析其舷側(cè)板架結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理，采取了不同航向角、不同撞擊位置進(jìn)行分析，同時分析不同冰體失效塑性應(yīng)變對結(jié)構(gòu)垮塌過程的影響，其中初始角度為船舶正向撞擊冰山為0°，向左舷轉(zhuǎn)彎為正值。

不同工況的船冰相對位置初始狀態(tài)如圖10 所示，各工況在碰撞結(jié)束后的船冰相對位置、冰體破損情況、板架結(jié)構(gòu)損傷情況如圖11 所示。可以得出，隨著初始角度的增大，碰撞結(jié)束后偏離的角度越大。主要是由于碰撞過程中冰山將給船體艏部一個側(cè)向力，使得船體發(fā)生整體的偏轉(zhuǎn)，而隨著初始角度的增大，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向的趨勢越明顯。隨著初始相對角度的增大，由于船體型線沿船長的變化，使得船體與冰山接觸的面積增大，碰撞結(jié)束后，冰體破損范圍也越大。同時，隨著冰體塑性失效應(yīng)變的增大，冰山破損范圍逐漸減小。碰撞過程呈現(xiàn)局部集中的特點，產(chǎn)生塑性變形區(qū)域主要集中在船冰接觸位置。隨著冰體塑性失效應(yīng)變的增大，其損傷范圍逐漸增大，撞擊位置發(fā)生在板格2 附近時，損傷范圍最大，板格1附近次之，最小損傷范圍為強框附近。發(fā)生該狀態(tài)的原因在于，強框位置剛度較大，而對板格而言，隨著跨長的變大，其相對剛度降低，使得損傷變形范圍更大。但由于承受載荷的范圍更廣，應(yīng)力重新分布的范圍區(qū)域更大，使得產(chǎn)生的塑性應(yīng)變最大值在3 種狀態(tài)時基本一致。

圖11 船冰相對位置及冰體破損情況Fig.11 Relative position of ship and ice damage:a) condition 1;b) condition 2;c) condition 3;d) condition 4;e) condition 5;f) condition 6

6 種工況下的船冰碰撞力曲線如圖12 所示。可以看出，碰撞過程僅持續(xù)了5 s 左右。對于撞擊強框、板格1 和板格2 不同位置，結(jié)構(gòu)較弱的首先產(chǎn)生較大的碰撞力，隨著結(jié)構(gòu)增加，產(chǎn)生極大碰撞力的時間向后推移。船舶與冰山發(fā)生碰撞時的碰撞力與船和浮冰、碎冰等產(chǎn)生的短暫脈沖形式的碰撞力明顯不同，呈現(xiàn)峰值數(shù)量更少、量值更大的特點。

圖12 碰撞力曲線Fig.12 Collision force curve:a) conditions 1—3;b) conditions 4—6

4 結(jié)論

1）當(dāng)船體材料C-S 模型和真實材料模型均采用同樣的屈服應(yīng)力、彈性模量等基本參數(shù)時，對碰撞力、船體結(jié)構(gòu)損傷以及結(jié)構(gòu)變形能量等的影響較小。

2）隨著航速的增加，船體撞擊區(qū)域的損傷范圍增大，船體結(jié)構(gòu)變形能、撞擊深度以及碰撞力等增大。隨著環(huán)境溫度的降低，船用鋼材料屈服應(yīng)力增大，船體結(jié)構(gòu)損傷范圍減小，在材料達(dá)到韌脆轉(zhuǎn)變溫度前，低溫使得結(jié)構(gòu)更加安全。

3）對于緊急避險舷側(cè)碰撞情況，隨著撞擊角度的增加，船冰接觸面積增大，船體結(jié)構(gòu)損傷區(qū)域增加。隨著碰撞發(fā)生位置的剛度變大，碰撞區(qū)域損傷范圍變小。

4）對于本文所涉及的2 種極端場景，艏部結(jié)構(gòu)失效模式主要表現(xiàn)為橫框架屈服失效、加強筋屈曲及側(cè)傾失效、局部外板大變形等。