極地冰區(qū)運(yùn)輸船冰激振動(dòng)及抗振結(jié)構(gòu)研究

張健，周陳超，王穎凱

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.招商局金陵船舶(南京)有限公司，江蘇 南京 210015)

0 引 言

極地運(yùn)輸船，在冰區(qū)航行時(shí)，其破冰能力遠(yuǎn)差于破冰船。船體在與冰體接觸時(shí)會(huì)受到冰阻力，伴隨著冰激振動(dòng)響應(yīng)。振動(dòng)加速度的大小與船體所受冰阻力的大小呈正相關(guān)。在冰區(qū)航行中，船體振動(dòng)會(huì)直接影響到船上船員的工作與生活，且對(duì)船體設(shè)備的壽命有一定的損害。因此，對(duì)于冰區(qū)運(yùn)輸船的冰激振動(dòng)的研究亟需深入。

目前冰激振動(dòng)的研究對(duì)象多是海洋平臺(tái)。在海洋平臺(tái)上出現(xiàn)的冰激振動(dòng)影響較大不可忽略，而對(duì)于在冰區(qū)航行的船舶，之前的研究考慮較少，所以缺乏參考。但隨著地球氣溫上升，北極融化的大背景下，對(duì)極地航行的研究亟需加快。現(xiàn)今的國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要以北極實(shí)地考察和冰區(qū)模擬對(duì)此課題進(jìn)行研究。

張鵬獲得破冰船水線區(qū)船肩受力分析的數(shù)據(jù)后，簡(jiǎn)化了船肩結(jié)構(gòu)，為探究冰載荷及冰激振動(dòng)對(duì)冰體結(jié)構(gòu)破壞的影響，選用了合理的冰體強(qiáng)度參數(shù)與冰載荷計(jì)算公式后研究了船肩處冰載荷與冰激振動(dòng)響應(yīng)的關(guān)系，為研究冰區(qū)破冰船的破冰航行提供了一定的參考。季順迎等測(cè)定了在南極破冰航行的“雪龍”號(hào)極地科考船實(shí)時(shí)冰激振動(dòng)加速度，確定了船速、外界荷載及外界因素對(duì)船體振動(dòng)的影響關(guān)系。蔡柯模擬了破冰船在層冰區(qū)的破冰航行，使用離散元方法去建立了冰體模型，求得船體周圍的壓力變化及冰載荷導(dǎo)致的冰激船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)效應(yīng)。應(yīng)用北極實(shí)地科考過程中破冰船上測(cè)得的數(shù)據(jù)，分析了3 個(gè)方向上船體局部冰激振動(dòng)的數(shù)值，研究了航速及冰體力學(xué)性質(zhì)對(duì)船首局部振動(dòng)的變化規(guī)律，獲得了冰載荷的時(shí)程曲線和冰激振動(dòng)加速度的時(shí)程曲線。

1 極地運(yùn)輸船冰區(qū)航行過程分析

1.1 模型及計(jì)算域的建立

本文的研究對(duì)象為某型16 萬噸級(jí)的油船。使用Ansys 建立簡(jiǎn)化船首模型，再使用有限元軟件Ls-dyna，單元網(wǎng)格取1 m×1 m。

船體結(jié)構(gòu)材料選用普通船用鋼，選Ls-dyna 中的3 號(hào)塑性隨動(dòng)材料模型作為鋼材料本構(gòu)模型，并在船首后建立平行中體，使用剛體建立中體。雖然以剛體作為材料的平行中體并不會(huì)參與船首結(jié)構(gòu)的計(jì)算，但會(huì)使船體的重心偏移，從而使計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差，因此本文在關(guān)鍵字*part_inertial 修改船體重心位置至實(shí)船的實(shí)際重心位置。最后對(duì)所有節(jié)點(diǎn)設(shè)置方向和方向上的位移約束和3 個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)自由度的全約束。此外，在船舶破冰仿真計(jì)算中，使用附加質(zhì)量法時(shí)，水的附連質(zhì)量系數(shù)取為0.05，鋼材料參數(shù)如表1 所示。

表1 鋼材料參數(shù)Tab.1 Material parameter

船體有限元模型如圖1 所示。

圖1 船首有限元模型Fig.1 Bow finite element model

使用體單元建立層冰模型，尺寸為140 m×80 m×1 m。網(wǎng)格尺寸選用區(qū)間為200～300 mm，冰層前端面約束為六自由度完全自由，后、左、右端面的約束為六自由度固定。在Ls-dyna 的材料庫中選取MAT_PLASTICITY_COMPRESSION_TENSION (MAT_124)作為冰體材料，冰體材料參數(shù)如表2 所示。

表2 海冰材料參數(shù)Tab.2 Sea ice material parameters

船冰接觸處使用侵蝕接觸（Eroding）算法，通過定義速度時(shí)程曲線，讓船體勻速行駛，將計(jì)算的總用時(shí)設(shè)置為6 s。

在計(jì)算船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)，需要在船體接觸斷面上施加激振力，而在本文的計(jì)算條件下，船首最主要的振源是與冰體碰撞產(chǎn)生沖擊力。因此為了計(jì)算出船首冰帶區(qū)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，用有限元方法模擬冰區(qū)船破冰過程。選用振動(dòng)加速度作為局部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)指標(biāo)，它能直觀體現(xiàn)振幅的大小，也能作為船員舒適度的參考指標(biāo)。

船冰計(jì)算域模型如圖2 所示。

圖2 船冰計(jì)算域模型Fig.2 Ship-ice calculation domain

1.2 極地運(yùn)輸船局部結(jié)構(gòu)冰激振動(dòng)響應(yīng)分析

設(shè)置冰層厚度為1 m，船舶航速為4 m/s 的工況進(jìn)行船舶航行的計(jì)算，其典型的船冰相互作用狀態(tài)示意圖如圖3 所示。

圖3 船體與海冰相互作用Fig.3 The hull interacts with the sea ice

船首型線通常為尖瘦形，其中破冰船和球鼻首船更為典型，因此在船舶行駛過程中，船首不大會(huì)和冰體發(fā)生直接碰撞，反而是舷側(cè)會(huì)與冰體發(fā)生直接碰撞，像是一個(gè)人的肩膀，因此也被叫做船肩。在船肩處冰帶區(qū)附近的的舷側(cè)縱桁上選取適當(dāng)數(shù)量的測(cè)點(diǎn)測(cè)量振動(dòng)響應(yīng)。

在冰帶區(qū)附近的一根縱桁上選取5 個(gè)點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，分別以A，B，C，D，E 命名，同時(shí)再選2 個(gè)同一肋位上但在不同水線位置上的10 個(gè)點(diǎn)作為參照組，區(qū)別命名為A-E，A-E，觀測(cè)點(diǎn)的位置及命名如圖4 所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)Fig.4 Test points＇

測(cè)出6 s 內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)程曲線。計(jì)算步長(zhǎng)為0.01 s，出圖步長(zhǎng)為0.01 s。圖5 僅展示對(duì)C 點(diǎn)的加速度數(shù)據(jù)，在船肩處3 個(gè)方向上的振動(dòng)加速度的時(shí)程曲線如圖5 所示。

圖5 C 點(diǎn)在3 個(gè)方向上振動(dòng)加速度時(shí)程曲線Fig.5 Time history curve of vibration acceleration of point C in three directions

可知，在破冰航行時(shí)，船體在3 個(gè)方向上皆出現(xiàn)了顯著的振動(dòng)加速現(xiàn)象，且皆無規(guī)律特征，表明船舶航行時(shí)船冰振動(dòng)具有較大的隨機(jī)性。同時(shí)，還可以注意到軸方向振動(dòng)的頻率較高，這是因?yàn)榇缣幣c平面平行的縱桁，在軸方向上較易出現(xiàn)振動(dòng)加速。

5 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在方向、方向、方向上的振動(dòng)加速度平均值及最大值如圖6 所示。

圖6 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度平均值及最大值Fig.6 Average value and maximum value of vibration acceleration at each measuring point

圖中后綴max 和mean 分別對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的最大振動(dòng)加速度和平均振動(dòng)加速度，前綴0 是在A-E 點(diǎn)，前綴1 是在A-E點(diǎn)，前綴2 是A-E點(diǎn)。

顯然，盡管處于不同水線，但其振動(dòng)加速度的值接近。3 組測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度平均值十分接近，且靠近撞擊點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)值，在縱向和垂向的振動(dòng)加速度明顯偏大，尤其是橫向的差距更為顯著，其最大值為97.6 m/s，平均值為20 m/s。

縱向振動(dòng)加速度其最大值的數(shù)值隨機(jī)性很強(qiáng)，測(cè)點(diǎn)距水線越近，垂向振動(dòng)加速度會(huì)越小，反之則越大。這是因?yàn)楸鶐^(qū)沿水平方向延伸，垂直于縱桁，因此垂向的振動(dòng)加速度相較于其他方向上的更小。

2 極地航行船抗冰激振動(dòng)新型結(jié)構(gòu)形式研究

船舶破冰過程中產(chǎn)生振動(dòng)不可忽視，使用夾層結(jié)構(gòu)對(duì)船體進(jìn)行局部加強(qiáng)，驗(yàn)證夾層結(jié)構(gòu)是否對(duì)抗冰激振動(dòng)有效。

2.1 夾層板

夾層板結(jié)構(gòu)在提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、降低結(jié)構(gòu)的損傷等方面有著顯著的效果，因此受到國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注。Stephen等構(gòu)造了一種不同于普通橋面板的Sandwich Plate System（SPS）結(jié)構(gòu)，SPS 結(jié)構(gòu)在靜載測(cè)試環(huán)節(jié)上對(duì)比普通橋面板，展現(xiàn)出了其在強(qiáng)度上的優(yōu)點(diǎn)。

王自力等構(gòu)造了FCT 和IFP 兩種舷側(cè)板結(jié)構(gòu)，進(jìn)行對(duì)比靜載測(cè)試，結(jié)果證明了2 種結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度上的優(yōu)勢(shì)。為探究應(yīng)用夾層結(jié)構(gòu)在極地航行船上對(duì)抗冰激振動(dòng)是否有效，在上述數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，優(yōu)選4 種夾層板，對(duì)船肩進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

2.2 夾層板對(duì)冰激振動(dòng)的影響

為了避免局部結(jié)構(gòu)重量對(duì)強(qiáng)度的影響，選用夾層板的厚度時(shí)保證與對(duì)照組的質(zhì)量誤差在1%以內(nèi)。同時(shí)為了選出最佳方案，選取4 種夾層板結(jié)構(gòu)I 型、V 型、X 型和四邊蜂窩型等分別對(duì)船肩處進(jìn)行加強(qiáng)。

把船的外板和肋骨替換成夾層板結(jié)構(gòu)，夾層板的內(nèi)、外面板的厚度之和與原方案厚度相等，夾芯層高度與肋骨高度持平，夾芯層厚度由等重量計(jì)算得到。圖7 為4 種夾層板I 型、V 型、X 型和四邊蜂窩型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 四種夾層板Fig.7 Four sandwich plates

4 種夾層板I 型、V 型、X 型和四邊蜂窩型的結(jié)構(gòu)尺寸見表3。

表3 夾層板尺寸Tab.3 Sandwich plate size

選取航速為4 m/s，冰厚為1m。計(jì)算的測(cè)點(diǎn)選擇也是位于水線附近桁材上的5 個(gè)測(cè)點(diǎn)A～E，5 類船肩處5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度均值及峰值如圖8 所示。

圖8 五類船肩處的振動(dòng)加速度Fig.8 Five types of ship shoulder vibration acceleration

可以看到，4 種夾層板對(duì)抗振均十分有效，對(duì)3 個(gè)方向上的振動(dòng)均削減超20%，特別是對(duì)橫向振動(dòng)的削減更是接近40%。其中在縱向減振效果，四邊蜂窩型夾層結(jié)構(gòu)好于其他類型結(jié)構(gòu)，V 型夾層結(jié)構(gòu)橫向減振效果好，X 型夾層結(jié)構(gòu)縱向減振效果好。盡管經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明，四邊蜂窩型夾層板的抗沖擊效果優(yōu)良，但在計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，四邊蜂窩型夾層板并不是在所有工況下都是最優(yōu)方案，因此在選擇優(yōu)化結(jié)構(gòu)時(shí)要考慮船舶實(shí)際航行中主要受力的形式再去選擇較為合適的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化方案。

為了更直觀比較優(yōu)化效果，通過比較測(cè)點(diǎn)B 和測(cè)點(diǎn)D 的2 組數(shù)據(jù)，計(jì)算減少的振動(dòng)，便于直接和成本進(jìn)行比較，具體對(duì)比數(shù)據(jù)如表4 所示。

從表4 可知，使用夾層板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，3 個(gè)方向上的減振十分顯著，尤其是在測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化效果，縱向減幅接近50%，且測(cè)點(diǎn)D 在縱向和橫向上的減振減幅也達(dá)到了40%，說明使用蜂窩型夾層板減振處理十分有效，在橫向上的減振優(yōu)化尤其優(yōu)異。該結(jié)果表明夾層板結(jié)構(gòu)對(duì)抗冰激振動(dòng)減振效果也不遜色于抗沖擊領(lǐng)域。

表4 B 點(diǎn)和D 點(diǎn)三方向振動(dòng)優(yōu)化對(duì)比Tab.4 Comparison of three-direction vibration optimization at points B and D

盡管夾層板結(jié)構(gòu)對(duì)于船肩抗冰激振動(dòng)的效果十分優(yōu)異，尤其是蜂窩型夾層板，但夾層板結(jié)構(gòu)的工藝要求遠(yuǎn)高于普通板，因此要結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益適當(dāng)使用夾層板結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 結(jié) 語

本文使用有限元軟件Ls-dyna，建立有限元船體模型和冰體模型，模擬冰區(qū)運(yùn)輸船在層冰區(qū)進(jìn)行破冰航行的過程。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，比較船肩在縱向、橫向、垂向3 個(gè)方向上的冰激振動(dòng)加速度。為了強(qiáng)化船肩的抗振能力，嘗試I 型、V 型、X 型和四邊蜂窩型4 種夾層板結(jié)構(gòu)，計(jì)算4 種結(jié)構(gòu)強(qiáng)化方案下船肩振動(dòng)加速度，并與未優(yōu)化的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，再計(jì)算出4 種方案的振動(dòng)減幅，最后對(duì)比4 種結(jié)構(gòu)強(qiáng)化方案的優(yōu)劣，可以得到以下結(jié)論：

1）船體不同水線處振動(dòng)加速度的值接近，且靠近撞擊點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)值，在縱向和垂向的振動(dòng)加速度明顯偏大，縱向方向上的振動(dòng)加速度的波動(dòng)性很強(qiáng)，橫向振動(dòng)加速度隨著離水線的距離增加而削弱。

2）使用夾層板對(duì)船肩進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)于3 個(gè)方向上的抗冰激振動(dòng)的效用都非常好。比對(duì)4 種夾層板結(jié)構(gòu)的減振效果可發(fā)現(xiàn)，在縱向減振效果，四邊蜂窩型夾層結(jié)構(gòu)好于其他類型結(jié)構(gòu)，V 型夾層結(jié)構(gòu)橫向減振效果好，X 型夾層結(jié)構(gòu)縱向減振效果好。從總體減振效果而言，應(yīng)優(yōu)選三方向抗冰激振動(dòng)能力均衡的四邊蜂窩型夾層結(jié)構(gòu)。但夾層板（尤其是蜂窩型夾層板）的制作工藝較普通外板的要求高，如果要使用夾層板結(jié)構(gòu)會(huì)增加造價(jià)，且影響船體船肩結(jié)構(gòu)（如重心，主要受力區(qū)域）。夾層板結(jié)構(gòu)的減振效果數(shù)據(jù)可以給冰區(qū)船在抗冰激振動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化上提供技術(shù)參考數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益適當(dāng)使用夾層板結(jié)構(gòu)優(yōu)化。