不同类型层冰载荷作用下船首结构响应研究

徐 张，李 锐，丁 琦

(1. 中国船级社上海分社，上海 200135；2. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212000；3. 上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室 航运技术交通行业重点实验室(上海)，上海 200135)

0 引 言

近年来北极冰层逐渐消融，冰盖面积急剧下降，使得运输船只在北极地区通航时间大大增加，同时也提高了社会效益和经济效益。然而，极地运输船舶航行于北极航道时，难免要与浮冰发生碰撞或摩擦，影响航行安全甚至船员安全。

在国内，研究船-冰碰撞问题的学者逐渐增多，其中张健等[1]利用非线性有限元软件Ls-dyna模拟破冰船的连续破冰过程，得到了不同冰厚和不同船速下的船首碰撞力曲线，通过理论与仿真对比分析，验证了理论方法和数值仿真的可行性。王健伟等[2]运用了非线性有限元方法构建船舶与冰层的数值仿真模型，得到了不同航速以及冰厚对船-冰碰撞载荷的影响。冯炎等[3]利用Ls-dyna软件模拟冰区船舶连续式破冰，得到了不同阶段海冰损伤破坏规律及相应的冰阻力值，对比发现了层冰呈现近似周期性的破碎模式。在国外，Gagnon等[4]利用有限元软件Ls-dyna中的ALE算法对油船与冰山的碰撞场景进行了数值仿真研究。Myland等[5]对航行于平整冰中的船舶破冰阻力进行研究，并通过模型试验对不同船速和不同船型在破冰过程中冰裂纹的萌生和扩展进行了研究。

本文基于非线性有限元软件Ls-dyna对船舶与不同类型层冰碰撞的船首结构响应开展研究，得到了船冰碰撞过程中船首结构动态响应规律，分析了航速、冰厚等要素对船冰碰撞载荷的影响。

1 数值仿真模型

1.1 船体有限元模型

选用一艘极地运输油船为研究对象，其主要参数如表1所示。

表1 船舶主要参数Tab. 1 The main parameters of the ship

由于极地船舶在破冰过程中船首部分与冰体进行碰撞，碰撞力大多集中在船首水线附近，较大应力部位也集中在船体首部位置。因此，本文对船舶非碰撞区域进行了简化处理。船首部分船体结构与实船结构保持一致，网格划分较密集，而非碰撞区域只保留刚体外壳，如图1所示。

图1 整船及船首有限元模型Fig. 1 Finite element model of the whole ship and bow

将船体材料设置为考虑应变率影响的弹塑性材料[6]，具体参数如表2所示。

表2 船体钢的塑性动态材料参数Tab. 2 Plastic dynamic material parameters of hull steel

1.2 层冰有限元模型

采用体单元分别建立长宽为1 00 m×70 m 的规则层冰有限元模型，如图2所示。长宽为 220 m×100 m的长方体区域中部剖开一个长宽为1 50 m×60 m的体单元，即为不规则层冰有限元模型，如图3所示。利用HyperMesh软件对其进行网格细分并将层冰细分为碰撞区（ 40 m×40 m）、过渡区（宽10 m）和远区。碰撞区网格细分尺寸为0.25 m，过渡区网格尺寸为0.5 m，远区网格尺寸为1 m。层冰碰撞前端面为自由状态，左右后三端面进行全约束。

图2 规则层冰有限元模型Fig. 2 Finite element model of regular ice layer

图3 不规则层冰有限元模型Fig. 3 Finite element model of irregular ice layer

2 冰厚对船冰碰撞结构响应的影响

冰厚是影响船舶破冰的重要因素，因此采用控制变量法，设置船舶航行的初速度均为2 m/s，再利用Ls-dyna中ALE流固耦合算法将船舶分别与层冰厚度为0.5 m，1.0 m和1.5 m三种工况进行碰撞，对碰撞后的结构损伤变形和碰撞力进行对比分析研究。

图4和图5分别为船首和规则层冰损伤变形应力云图及船首和不规则层冰损伤变形应力云图。船首与不同厚度层冰发生碰撞时，船首最大应力发生均在与层冰碰撞处，整个碰撞过程中应力峰值大小随着冰体的厚度增加而增加。当层冰厚度为0.5 m和1.0 m时，船首仅有很小的塑性变形，并未对船首结构造成破坏；当层冰厚度增加到1.5 m时，船首已经发生了明显的塑性变形，结构遭到了一定的破坏，此工况下该船舶破冰航行十分危险。

图4 规则层冰载荷下船首和冰损伤应力云图Fig. 4 Stress nephogram of bow and ice damage under regular ice load

图5 不规则层冰载荷下船首和冰损伤应力云图Fig. 5 Stress nephogram of bow and ice damage under irregular ice load

从图6和图7碰撞力-时间曲线中可以看出，层冰载荷在时域上具有较强的波动性，且波动的剧烈程度随着冰厚的增加而增加。在船首与冰体碰撞过程中，冰载荷的卸载现象反复出现，从而导致碰撞力曲线出现了较大波动。产生这种现象的主要原因是船首与层冰发生碰撞时，两者之间的结构若没有发生失效，碰撞力就会上升，而当两者之中的某个结构发生失效时，就会产生力的卸载现象。随着船体的破冰行进，新的结构又会使碰撞力上升，结构失效后又产生碰撞力卸载，如此反复，便导致船首结构的破坏。

图6 规则层冰载荷下碰撞力-时间曲线Fig. 6 impact force time curve under regular ice load

图7 不规则层冰载荷下碰撞力-时间曲线Fig. 7 impact force time curve under irregular ice load

表3对不同类型层冰下的碰撞力均值进行了比较。对比规则层冰和不规则层冰在不同冰厚条件下的碰撞力均值，不难发现，当冰厚为0.5 m，两者之间的差值为0.25 MN；当冰厚为1.0 m时，两者之间的差值为0.45 MN；当冰厚为1.5 m时，两者之间的差值为2.14 MN。不同冰厚条件下，规则层冰与不规则层冰载荷之间碰撞力均值的差值随着冰厚的增加呈现快速递增的趋势，如图8所示。

3 航速对船冰碰撞结构响应的影响

航速是影响船舶破冰的另一个重要因素，同样采用控制变量法，分别设置0.5 m/s，1.0 m/s和1.5 m/s三种航速工况，冰厚均取为0.5 m，利用耦合技术对船-冰碰撞后的变形损伤和碰撞力进行研究。

表3 不同类型层冰下的碰撞力均值比较Tab. 3 Comparison of collision force peaks under different types of layers

图8 冰厚-差值曲线Fig. 8 Ice thickness-difference curve

图9和图10分别为规则层冰载荷和不规则层冰载荷下船首及冰损伤应力云图。航速对于船冰相互作用的影响显著，低航速下船和冰的应力值较小，且冰体破碎范围较小，高航速下船和冰的应力值较大，冰体破碎范围较大。

图11和图12分别为规则层冰载荷和不规则层冰载荷下船冰碰撞力-位移曲线。在航速为0.5 m/s和1.0 m/s两种工况下碰撞力出现了较为明显的卸载现象，因为层冰破碎过程中产生了大量破碎的冰块，形成了碎冰的堆积，航行阻力加大，再加上航速较低影响了其持续破冰能力。低航速下船体对层冰的接触面积较大，船冰之间的作用力相对稳定，层冰对船体的载荷较为平稳；高航速下船体对层冰的接触面积较小，船冰之间的作用力传递速率较快，碰撞力峰值要比低速时高，层冰载荷的波动幅度较为剧烈。

表4为不同航速条件下的不同层冰类型碰撞力均值比较。0.5 m/s航速两者差值为0.28 MN，航速为1.0 m/s时，差值为0.31 MN；航速为1.5 m/s时，差值为0.87 MN。不同航速条件下，规则层冰与不规则层冰载荷之间碰撞力均值的差值随着航速的增加呈现快速递增的趋势，如图13所示。

图9 规则层冰载荷下船首和冰损伤应力云图Fig. 9 Stress nephogram of bow and ice damage under regular ice load

图10 不规则层冰载荷下船首和冰损伤应力云图Fig. 10 Stress nephogram of bow and ice damage under irregular ice load

航速较低时，规则层冰与不规则层冰下的船首碰撞力均值差距不大，主要是因为速度低时，层冰破碎面积均较小，规则层冰与不规则层冰两者的载荷与船体相互作用较为平缓；当航速逐渐增加时，船体引起的冰载荷更加剧烈，导致规则层冰与不规则层冰之间的碰撞力均值产生较大差距。

图11 规则层冰载荷下碰撞力-位移曲线Fig. 11 Impact force displacement curve under regular ice load

图12 不规则层冰载荷下碰撞力-位移曲线Fig. 12 Impact force under irregular ice load - Displacement curve

表4 不同类型层冰下船首碰撞力均值比较Tab. 4 Comparison of the peak collision force of bows under different types of ice

图13 航速-差值曲线Fig. 13 Speed - Difference curve

4 结 语

本文基于非线性有限元软件Ls-dyna对北极航区航行运输船破冰过程中引起的船首结构动态响应进行研究。采用流固耦合技术，分别建立船-水-规则层冰和船-水-不规则层冰数值仿真模型，对不同冰厚和不同航速条件下船冰碰撞过程船首结构变形损伤和碰撞力进行对比研究。主要结论如下：

1）冰厚和航速均是影响船冰碰撞结构损伤的关键因素，船首结构损伤变形应力和碰撞力均随冰厚和航速的增大而增大；

2）不规则层冰载荷相较于规则层冰载荷引起的船首结构响应更加剧烈，应力值和碰撞力均值均比规则层冰载荷下的更大；

3）在薄冰和低航速下，规则层冰载荷碰撞力均值与不规则层冰载荷碰撞力均值之差较小，而在厚冰和高航速下，规则层冰载荷碰撞力均值与不规则层冰碰撞力均值之差逐渐增大。