閆孟嬌 朱 凌

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

浮冰碰撞載荷作用下船體板結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究*

閆孟嬌 朱 凌

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

開展了船體板與浮冰碰撞的有限元仿真研究，分析了浮冰碰撞載荷作用下船體板的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng).采用水平?jīng)_擊試驗機開展了船體板-冰碰撞實驗，驗證了數(shù)值仿真模型的有效性.在此基礎(chǔ)上，研究了船體板-浮冰碰撞參數(shù)對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)與塑性變形的影響規(guī)律.結(jié)果表明，隨著板厚的增加，量綱一的量最大撓度值和量綱一的量永久撓度值相應(yīng)的減小；楔形冰的質(zhì)量越大，船體板的量綱一的量最大撓度值越大；船體板的最大變形隨著冰的撞擊速度的增加是呈線性增長.

冰載荷；船-冰碰撞；數(shù)值仿真；結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)；實驗驗證

0 引 言

北極地區(qū)擁有豐富的礦產(chǎn)資源，并且將來可能是貿(mào)易往來的重要航線.近年來全球氣候變暖，北極冰川溶解加劇，北極航道越來越具備在夏季通行商船的能力.然而，散落于海上的冰山及浮冰碎片大量增加，船只與包括冰山在內(nèi)的浮冰碰撞事故屢有發(fā)生.因此，研究浮冰與船舶的碰撞對船舶安全性分析尤為重要.

船舶動態(tài)響應(yīng)及冰載荷是研究船-冰碰撞的兩個重要方面.較好地評論作用于船體的總體和局部冰載荷對于船舶設(shè)計建造是很重要的.從結(jié)構(gòu)的角度來看，船舶周圍的局部冰載荷的分布信息，可以更有效地用在冰區(qū)航行船舶的設(shè)計中.很多學(xué)者在船-冰碰撞方面開展了許多的研究工作.Jebaraj等[1]采用有限元方法模擬了船-冰碰撞，提出冰在高速沖擊下會發(fā)生破碎而不是彎曲.Liu等[2-3]通過對Tsai-Wu屈服面進(jìn)行變換之后，提出了一種新的冰材料模型，并且系統(tǒng)地研究了船舶與冰山碰撞的動力學(xué)問題，同時，該塑性材料模型也成功用于舷側(cè)和船艏碰撞的研究中.張建等[4]運用非線性有限元法進(jìn)行了船-冰碰撞數(shù)值仿真，研究了冰的質(zhì)量、形狀、沖擊速度對船舶球鼻艏結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響，揭示了不同工況下船舶的損傷變形、碰撞力和能量吸收的規(guī)律.宋組廠等[5]采用有限元方法模擬了獨腳簡易平臺與單塊浮冰的相互作用過程，獲得了碰撞能量轉(zhuǎn)換關(guān)系和碰撞力隨時間變化的曲線.目前，在結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面的研究很少，特別是船體板在浮冰碰撞載荷沖擊下的應(yīng)力和應(yīng)變分布以及不同沖擊參數(shù)的影響.Zhu等[6-10]基于剛性楔形體撞擊固支矩形板這一實驗?zāi)Ｐ?對固支矩形板的應(yīng)力/應(yīng)變進(jìn)行了研究分析，為受撞擊板的失效分析提供了有用信息.Zhu等[11]對船冰重復(fù)碰撞問題的機理進(jìn)行了探索，利用剛塑性理論得到設(shè)計曲線和設(shè)計公式.在此基礎(chǔ)上，Zhu等[12]對剛性塊和實際冰與典型船體板碰撞進(jìn)行了數(shù)值仿真，提出一種可以保守估計局部冰載荷計算方法.Zhu等[13]分析不同碰撞接觸面下船-冰碰撞所導(dǎo)致船體板損傷的異同，得到了考慮冰體損傷引起的船體板的變形即能量吸收折減比.

文中在水平?jīng)_擊試驗機上開展了鋼板與楔形冰的水平撞擊實驗，探討船體板在浮冰載荷作用下的塑性變形，并指導(dǎo)數(shù)值仿真，驗證了數(shù)值仿真的可靠性.采用有限元軟件LS-DYNA對不同參數(shù)如楔形冰的沖擊速度、楔形冰的質(zhì)量、以及鋼板厚度等參數(shù)來分析不同碰撞工況下的船體板的動態(tài)響應(yīng).期望數(shù)值仿真結(jié)果可以為受到冰碰撞載荷的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有用的信息.

1 實驗研究

1.1 實驗裝置

實驗采用自行設(shè)計的水平?jīng)_擊試驗裝置，見圖1.該實驗裝置由五部分組成：基座、夾具系統(tǒng)、沖擊車、軌道及牽引系統(tǒng).

圖1 水平?jīng)_擊試驗設(shè)計圖

本實驗中，鋼板四周通過夾具系統(tǒng)與螺釘固定到基座上，達(dá)到四周剛性固定的邊界條件.沖擊車由電磁鐵通電吸引，與電磁鐵連接的繩索可將沖擊車?yán)胶线m的位置，再斷電釋放，以保證沖擊車獲得不同的撞擊速度.

實驗中采用壓電陶瓷傳感器測量加速度時間曲線，緊密連接于沖頭背面，采樣頻率為51 200 Hz.另外，采用感應(yīng)式光電傳感器采集沖擊車的沖擊速度以及回彈速度.

1.2 冰的制作

在對冰模具進(jìn)行設(shè)計時，首先考慮到?jīng)_擊車的形狀、質(zhì)量、重心，楔形冰的形狀、重心等情況，其次由于楔形冰碰撞破碎后會拉近沖擊車與試板的距離，為保證沖擊車不會脫離軌道，對模具前端的尺寸進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計了冰模具見圖2a).

圖2 實驗制冰模具及實驗用冰

在冰模具組裝好后，采用防水玻璃膠對模具前端和后端連接處進(jìn)行防水密封.將冰模具底部用防水密封膠同可拆卸泡沫板連接，該泡沫板可切成合適的形狀.經(jīng)過1 d左右的時間，防水密封膠晾干.先向模具中注入少量的水，待確定模具完全不漏水，密封性良好.將冰模具放入低溫冰箱中，調(diào)節(jié)溫度至-15 ℃，向模具中注水后，約3 d左右楔形冰成功凍好，見圖2b).

實驗選取1 200 mm×400 mm×1.0 mm的試板，實驗冰為楔形冰，質(zhì)量為17.5 kg，沖擊車自重為68.0 kg，總質(zhì)量為85.5 kg.楔形冰初速度2.56 m/s，碰撞位置為鋼板中心位置處.

2 數(shù)值仿真建模

運用非線性有限元軟件LS-DYNA version 971對船體板-冰碰撞模型進(jìn)行數(shù)值仿真，選取鋼板材料為Q235低碳鋼.鋼材是應(yīng)變率敏感性材料，屈服應(yīng)力及極限拉伸強度隨應(yīng)變率而增加.在碰撞分析時，應(yīng)考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)對材料特性的影響，文中采用Cowper-Symonds本構(gòu)方程[14-16].選取LS-DYNA材料庫中的塑性動態(tài)模型，即Plastic Kinematic Model來模擬鋼板的材料屬性，其參數(shù)設(shè)置見表1.

表1 船體板材料參數(shù)

冰的材料屬性非常復(fù)雜，研究人員對冰的材料特性進(jìn)行了許多模型試驗以及數(shù)值模擬，但結(jié)論仍然存在相當(dāng)大的爭論.因此，文中開展了冰的壓縮試驗，見圖3，獲得了冰的基本的材料參數(shù).文中選取了LS-DYNA材料庫中各向同性彈塑性失效的冰數(shù)值模型.該模型可以體現(xiàn)材料的塑性強化階段，模擬裂紋的宏觀擴展.表2為冰材料模型中使用的基本材料參數(shù)，見文獻(xiàn)[17].

圖3 冰的單軸壓縮試驗

在有限元建模過程中，模型為面與面侵蝕接觸，定義鋼板為主面，楔形塊為從面.網(wǎng)格過粗將得到比實際偏高的碰撞力結(jié)果，網(wǎng)格過細(xì)將導(dǎo)致計算時間增加.鋼選取Shell單元將網(wǎng)格劃分為33 mm的正方形網(wǎng)格，總單元數(shù)為864.楔形冰選取Solid單元，網(wǎng)格大小為20 mm，總單元數(shù)為28 130.鋼板的邊界設(shè)置為四周剛性固定.

表2 冰材料模型參數(shù)(*MAT_013)

3 結(jié)果與討論

3.1 實驗和數(shù)值仿真對比

通過鋼板-楔形冰碰撞實驗，主要得到：①板的變形情況；①冰的破損情況.碰撞過程見圖4.

圖4 鋼板-楔形冰碰撞瞬間

實驗和仿真過程描述：楔形冰開始與鋼板接觸，加速度迅速上升，由于冰的特性，在碰撞過程中楔形冰破碎，導(dǎo)致加速度呈抖動下降趨勢.在數(shù)值仿真過程中，當(dāng)?shù)刃苄詰?yīng)變超過失效應(yīng)變或壓力小于截斷壓力時，失效單元將會被刪除，以此來模擬楔形冰碰撞破碎的情況.實驗采集到的加速度進(jìn)行簡單的濾波，得到較好的數(shù)據(jù)，見圖5.由圖5可知，數(shù)值仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合得較好.然而，由于楔形冰破碎的不確定性，導(dǎo)致加速度圖線下降階段差別比較大.

圖5 實驗和數(shù)值仿真的加速度對比

鋼板-楔形冰數(shù)值仿真中，鋼板的材料本構(gòu)關(guān)系是通過拉伸試驗得到的，楔形冰的基本參數(shù)是通過冰的單軸壓縮試驗得到的，合適的單元算法能夠保證整個結(jié)構(gòu)位移場的高階連續(xù)性；這些因素的確定都保證真正做到模擬鋼板-楔形冰碰撞實驗，且數(shù)值仿真結(jié)果和實驗結(jié)果有較好地一致性，說明數(shù)值仿真模型和方法的可靠性.

3.2 仿真結(jié)果

圖6是數(shù)值仿真中楔形冰撞擊鋼板的過程示意圖，由圖6可知鋼板和楔形冰的等效應(yīng)變情況.在整個碰撞過程中比較關(guān)心的是這3個時刻：①楔形冰與鋼板剛開始接觸時刻，見圖6a)；②鋼板產(chǎn)生最大撓度，同時楔形冰速度減小到零的時刻，見圖6b)；③楔形冰回彈至于鋼板分離的時刻，見圖6c).楔形冰與鋼板碰撞時，出現(xiàn)破碎情況，即失效的冰材料單元將會被刪除，當(dāng)速度降到零時楔形冰開始回彈，直至與鋼板分離，這一過程中最大等效應(yīng)變?yōu)?.045 24.

圖6 鋼板-楔形冰碰撞過程

4 參數(shù)研究

4.1 冰的質(zhì)量及速度的影響

為研究楔形冰質(zhì)量和速度對被撞板的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響，選擇不同的質(zhì)量和速度組合形式來評價楔形冰對船體板的碰撞沖擊載荷.選擇楔形冰的質(zhì)量分別為1 000，2 000和3 000 kg，沖擊速度為2，3和4 m/s.

圖7為楔形冰在三種不同沖擊速度和質(zhì)量下所對應(yīng)的船體板的量綱一的量最大撓度值及楔形冰的量綱一的量回彈速度值.由圖7a)可知，隨著楔形冰撞擊速度的增加，船體板的量綱一的量最大撓度值呈線性增長.在速度相同時，楔形冰的質(zhì)量越大，船體板的量綱一的量最大撓度值越大.較大的質(zhì)量和速度會造成更大的變形.

當(dāng)撞擊速度相同時，楔形冰的量綱一的量回彈速度值隨著質(zhì)量的增大而減小，見圖7b).對于一個給定的結(jié)構(gòu)，最大彈性應(yīng)變固定不變.當(dāng)外部沖擊能量比最大彈性應(yīng)變能大得多的時候，其沖擊能量就耗散在板的塑性變形中.由于浮冰破碎的不確定性和破碎時能量的耗散，會出現(xiàn)上下波動的情形，并不是完全呈線性增長的趨勢.

圖7 楔形冰質(zhì)量和沖擊速度對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響

4.2 板厚的影響

選取了五種不同板厚在楔形冰質(zhì)量為m=1 000 kg，初速度為v0=3 m/s條件下進(jìn)行的數(shù)值模擬仿真.在不同板厚情況下，楔形冰的量綱一的量最大撓度值及量綱一的量永久撓度值，見圖8.隨著板厚的增加，量綱一的量最大撓度值以及量綱一的量永久撓度值相應(yīng)的減小，同時，曲線逐漸趨于平緩.當(dāng)厚度大于某個值時，可以通過增加板厚來提高抗沖擊能力.

圖8 板厚的影響

在抵抗浮冰碰撞的實際設(shè)計中，質(zhì)量和速度的適用范圍可以根據(jù)具體的冰況統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到.一旦上述變量已經(jīng)給定則板厚就成為了決定船體板最大撓度的唯一影響因素.

5 結(jié) 論

1) 采用非線性動態(tài)有限元軟件可以對整個船-冰碰撞過程進(jìn)行較好地描述.并且該方法經(jīng)過實驗驗證，已證明其可行性.這一方法對航行于北極水域的船舶在結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化方面的研究具有重要意義.

2) 撞擊參數(shù)對船舶板的特性有很多方面的影響，不同的參數(shù)會導(dǎo)致不同的動力響應(yīng).根據(jù)在某些特定情況下提出的船舶碰撞模型的計算，如果參數(shù)從較為權(quán)威性、普遍性和一般性的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到的話，這一碰撞模型將更具有普適性.下一步將會從不同參數(shù)情況下楔形塊剖面面積等方面進(jìn)行研究.

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Dynamic Analysis of Ship Plates under Ice Floes Impact

YAN Mengjiao ZHU Ling

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Ship plate-ice collisions are carried out by finite element simulation and the dynamic responses of ship plate’s characteristics are studied. Ship plate-ice experiments are conducted using a horizontal impact machine. The numerical results reach good agreements with the experimental results. Furthermore, the effects of collision parameters in dynamic response and plastic deformation are investigated numerically. The results show that the dimensionless maximum deflection value and the dimensionless permanent deflection value decrease with the increase of the plate thickness. The larger the ice mass is, the larger the dimensionless maximum deflection value is. With the increase of the impact velocity of the ice, the dimensionless maximum deflection value of the ship plate increases almost linearly.

ice load; ship-ice collision; numerical simulation; structural dynamic response; experimental verification

2017-02-10

*中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(2017II04XZ)

U661.7

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.018

閆孟嬌(1990—)：女，碩士生，主要研究領(lǐng)域為船-冰碰撞動力響應(yīng)