基于船-水-冰耦合技术的撞击参数对船冰碰撞性能的影响

张 健，王甫超,2，刘海冬，许俊华

(1. 江苏科技大学，江苏 镇江 212003；2. 浙江大华技术股份有限公司，浙江 杭州 310000；3. 上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

航行于极地航道的船舶，与浮冰发生碰撞可能性极大，船体结构可能出现破裂、屈曲等失效[1 – 3]。目前对于船冰碰撞的研究尚不充分，更很少有学者考虑周围水的动力效应扮演的重要角色[4 – 5]。应用有限元软件对海洋结构物进行动力分析，一般会采用3种方法：流固耦合法、等效船体梁法、附连水质量法。流固耦合算法是目前比较准确的有限元算法，刘昆等[6]考虑了船体与流场、被撞船与撞击船之间的耦合，分析碰撞过程中两船的同步损伤，对碰撞过程中2艘船的运动、碰撞力、结构损伤变形、能量转化及各构件吸收情况进行了研究。

在实际船冰碰撞过程中，撞击参数（撞击位置、冰体质量、撞击速度、撞击角度）等存在很多情况，不同的情况组合对船体碰撞性能的影响不同[7]。因此，进一步开展冰体质量与碰撞角度对碰撞性能的影响有必要。本文利用Ansys建立1艘16万吨级的油船首部模型，并使用非线性有限元软件Ls-dyna求解分析，基于流固耦合算法研究船舶碰撞性能。

1 船-水-冰耦合技术及船体碰撞模型

本文的船-水-冰耦合技术指的是基于目前数值模拟技术，最大限度地考虑船舶撞击冰体过程中船体与冰体自身结构及周围流场等影响参数，尽可能真实地反映船冰碰撞场景的一种有限元数值模拟方法。

1.1 流固耦合

在船冰碰撞过程中，周围水域肯定会对其影响。在非线性有限元软件中，为了解决欧拉网格与拉格朗日网格中的材料相互作用而引入流固耦合。如果不定义耦合关系，拉格朗日网格与欧拉网格相互独立，互不影响。Ls-dyna软件中定义有正体积封闭的耦合面。为最大限度考虑船冰碰撞过程中周围流场、自身结构等影响参数，尽可能模拟船冰碰撞真实场景而引入流固耦合算法。

1.2 碰撞模型

为了减少仿真计算误差，使用体单元建立船体模型时，尽可能与实船保持一致，并使用精细网格（见图1）。船首结构使用的材料为普通船用钢，对应变率高度敏感，需要在材料本构模型中引入应变率，选用的是线性强化的Cowper-Symonds弹塑性模型。极地海域的浮冰大多是老年冰，冰体材料参数参照文献[8]：密度890 kg/m3，弹性模量4.3 GPa，泊松比0.3，塑形失效应变0.01，弯曲强度2.5 MPa。船冰碰撞有限元模型如图2所示。

1.3 碰撞方案

在实际船舶碰撞过程中，撞击参数具有多样性。本文从冰体质量、撞击角度来研究船舶碰撞结构响应，碰撞方案如表1所示。

图1 船首网格划分图Fig. 1 Bow grid division diagram

图2 船冰碰撞有限元模型Fig. 2 Ship ice collision finite element model

表1 碰撞方案Tab. 1 Collision scheme

所有工况下船舶的初速度都为8 m/s，不同角度下，船-水-冰耦合碰撞有限元模型如图3所示。

图3 船-水-冰耦合碰撞模型图Fig. 3 Ship - water - ice coupling collision model diagram

2 计算结果

2.1 冰体质量对船冰碰撞的影响

图4给出了不同冰体尺寸下船-水-冰碰撞计算获得的碰撞力曲线。由于船舶不断地撞击挤压冰体，因此碰撞力均呈现明显的非线性，碰撞力一致地以波动状态逐渐上升，但可以看出冰体尺寸较小的碰撞力波动幅度较大，冰体尺寸较大的碰撞力波动幅度较缓，表明船-水-冰三者耦合过程中不断地产生各种程度的载荷卸载。对比分析考虑流固耦合情况下的4种碰撞工况，可以得到碰撞开始的时间基本在0.1 s左右，这是由于船冰在接触之前，两者之间存在水介质，船舶需

图4 不同工况下碰撞力时历曲线Fig. 4 The time history of the collision force of different conditions

要克服水阻力做功。在1 s的碰撞过程中，水介质中3种工况下的碰撞力曲线都以近似的波动趋势快速增大，但是不同冰体尺寸下，船-水-冰碰撞产生的最大碰撞力及碰撞时刻有所差别。当冰体边长为12 m时，碰撞力最大峰值为182 MN，碰撞时刻为1 s；当冰体边长为18 m时，碰撞力最大峰值为243 MN，碰撞时刻为0.95 s；当冰体边长为24 m时，碰撞力最大峰值为260 MN，碰撞时刻为0.98 s。因此可以看出，各种工况下船-水-冰三者耦合的碰撞力处于同一数量级，随着冰体质量的增大，船-水-冰三者耦合的碰撞力峰值也随着增大，冰体对船首的损伤程度也增大。

为了分析研究船-水-冰三者耦合碰撞过程中三维实船首部结构的损伤及变形情况，图5和图6给出船舶以8 m/s的初速度撞击不同尺寸冰体，船首外板及舷侧纵骨及冰体在1 s时的变形损伤和应力分布情况。从图中可以看出，在1 s时刻，船首外板及舷侧纵骨都产生了不同程度的大变形，随着冰体尺寸的增加，船首外板及舷侧纵骨的变形损伤也不断增大。当冰体边长为12 m时，船首外板及舷侧纵骨变形深度不算太大，变形区域主要分布在与冰体接触的地方，局部高应力区域分布与变形区域保持一致；当冰体边长增加到24 m时，船首结构损伤程度最为严重，船首外板和舷侧纵骨产生了巨大的撕拉、弯曲及扭曲等形式的大变形。在碰撞过程中，船体的动能一部分转化为船体结构的塑性变形能，一部分转化为水的动能，同时还转化为冰体的变形能等。从图7可以看出，冰体也产生了大量的破碎、失效，从冰体的破碎状态也可看出冰体破坏主要发生在船首与冰体接触区域。当冰体厚度较小时，冰体的破碎程度较大，船体结构可以有效地撞裂冰体，但随着冰体尺寸的增加，冰体的阻力增大，船首结构只能在一定程度上挤压冰体，不容易使冰体快速产生破裂、失效。一定程度上水介质减缓了冰体对船体的损伤。

图5 不同冰体尺寸下船首外板的变形损伤和应力分布图Fig. 5 The damage deformation and stress patter of bow plate under different ice sizes

2.2 撞击角度对船冰碰撞的影响

图6 不同冰体尺寸下舷侧纵骨的变形损伤和应力分布图Fig. 6 The damage deformation and stress patter of side longitudinal under different ice sizes

图8给出了不同冰体尺寸下船-水-冰碰撞计算获得的碰撞力曲线。撞击角度的改变对碰撞力的走势影响不大，但随着碰撞角度的变大，碰撞力峰值在下降，同时每条碰撞力曲线出现波峰波谷的时间和次数是不同的，这是因为随着角度的不断增大，冰体正面与船首的接触面积越来越小，冰体的接触区域逐渐转向船首肩部，冰体的棱角迅速划破船体表面，由于肩部结构强度不及首部，碰撞力峰值逐渐减小，而且产生碰撞力峰值的时刻也逐渐提前。

图7 不同工况下冰体变形损伤和应力分布图Fig. 7 The damage deformation and stress patter of ice under different conditions

图8 不同角度下碰撞力曲线对比图Fig. 8 The time history of the collision force at different angles

图9 不同角度下船首外板和冰体的变形损伤及应力分布图Fig. 9 The damage deformation and stress patter of bow plate and ice at different angles

从图9可以看出，随着冰体撞击角度的改变，船体外板产生了较大的损伤变形，当角度为0°时，2种碰撞模型的船首均产生了较明显的变形，冰体也产生了大量的破碎。当碰撞角度为60°时，冰体与船首的接触面积逐渐减小，冰体的棱角开始划割船首外板，由于船首肩部的结构较首部弱，冰体很快就将船体刺破，对船体内结构进行破坏。角度的改变促使冰体与船体接触的次序不同，也就造就了船体构件的失效次序。从冰体的破碎情况可以明显看出冰体与船首的接触位置发生了变化，该种情况对船体的损伤较大，船舶在行驶过程中要避开冰体的棱角。

3 结 语

1）采用船-水-冰耦合技术考虑了船冰碰撞过程中周围流畅、自身结构等因素的影响，最大限度模拟了船冰碰撞真实场景，有效分析船冰碰撞过程中碰撞力与损伤变形情况，随着计算机的不断更新，将来必会成为船冰碰撞可取而又实用的方法。

2）船冰碰撞过程中碰撞力均呈现明显的非线性，碰撞力一致地以波动状态逐渐上升。随着冰体尺寸的增加，碰撞力曲线波动幅度较缓，峰值变大。撞击角度的改变对碰撞力的走势影响不大，但随着碰撞角度的变大，碰撞力峰值在下降，同时每条碰撞力曲线出现波峰波谷的时间和次数是不同的。

3）船-水-冰耦合的碰撞过程中，并不考虑水的研究结果差别不大，船体结构与冰体损伤具有明显的局部性，但水介质在一定程度上减缓了冰体对船体的损伤破坏。只有撞击角度的改变才会影响船体构件的失效次序，冰体大小会影响船体构件损伤程度。冰体尺寸越小，与船体接触为棱角的冰体撞击破裂、失效越严重。