張淼溶，王祥康，張 健，張熠飛

(1. 泰州學院 船舶與機電工程學院，江蘇 泰州 225300；2. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船舶抗冰碰撞舷側(cè)結(jié)構(gòu)加強方案及優(yōu)化設計

張淼溶1，王祥康1，張 健2，張熠飛1

(1. 泰州學院 船舶與機電工程學院，江蘇 泰州 225300；2. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

本文介紹了船-冰碰撞數(shù)值仿真中涉及的關鍵技術，以船舶肩部舷側(cè)區(qū)域與棱角冰發(fā)生碰撞作為計算工況，對所選船舶舷側(cè)與冰體碰撞進行數(shù)值仿真，根據(jù)舷側(cè)響應特征指出其進行結(jié)構(gòu)加強的必要性。由此提出幾種舷側(cè)常規(guī)加強方案，通過分析各自與冰體接觸區(qū)域船體外板上受到的平均應力以及碰撞過程中船體結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性破壞的程度，指出結(jié)構(gòu)仍然存在的問題以及后續(xù)加強的方向。最后，設計了 2 種新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)并對其進行優(yōu)化，驗證了其具有較優(yōu)的抗冰碰撞性能，得到了抗冰碰撞舷側(cè)結(jié)構(gòu)設計的相關結(jié)論。

船-冰碰撞；冰體模型；結(jié)構(gòu)加強；優(yōu)化設計

0 引 言

由于近年來全球氣候變暖，北極冰川融解加劇，北方航線越發(fā)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，往往造成船體損壞，并引起油氣泄露和環(huán)境污染，乃至釀成重大人員傷亡。船舶肩部是指船首向平行中體過渡區(qū)域，各肋位半寬值逐漸增大，其橫剖面從瘦削向豐滿過渡。帶棱角的冰體一旦與該區(qū)域舷側(cè)接觸，伴隨船舶的行進，極易侵入船體進而劃割船體外板及舷側(cè)板架結(jié)構(gòu)。相比于船首與冰體碰撞，船舶肩部與冰體碰撞具有易造成破壞且危害較大的特點，因此，研究抗冰碰撞舷側(cè)結(jié)構(gòu)設計具有重要的實用價值。本文以棱角冰與船舶肩部的碰撞作為計算工況，以船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)作為研究對象，基于所選船舶舷側(cè)與冰體碰撞結(jié)構(gòu)響應特征設計常規(guī)及新型舷側(cè)加強結(jié)構(gòu)，根據(jù)動態(tài)仿真計算結(jié)果比較各舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性能的優(yōu)劣，提出可行的結(jié)構(gòu)加強方案及優(yōu)化建議，希望可以給相關領域的設計人員以及科研工作者提供參考。

1 碰撞仿真技術

1.1 材料模型

為了真實地反映碰撞過程中的船體材料特性，在參考相關文獻[1- 4]的基礎上，本文采用塑性動態(tài)模型，船體鋼的材料參數(shù)如表1所示。設定塑性失效應變?yōu)?.2，即船體單元產(chǎn)生的塑性應變一旦達到上述值，該單元破裂，不能再承受外力。冰體材料模型一直是國內(nèi)外專家、學者的研究熱點，但目前尚未建立成熟的本構(gòu)關系，依據(jù)已掌握的冰體材料統(tǒng)計、測量及仿真數(shù)據(jù)[5-8]，本文采用各向同性彈性斷裂模型，冰體的材料參數(shù)如表2所示。

表 1 船體鋼的塑性動態(tài)材料參數(shù)Tab. 1 Parameter setting of MAT_PLASTIC_KINEMATIC for steel

表 2 冰體的各向同性彈性斷裂材料參數(shù)Tab. 2 Parameter setting of MAT_ISOTROPIC_ELASTIC_FAILURE for ice

1.2 有限元模型處理

算例中，船舶重量15 000 t，型深15.2 m，設計吃水12 m，型寬28 m。本文主要考慮船舶肩部舷側(cè)與棱角冰碰撞，將船舶肩部舷側(cè)有限元網(wǎng)格進行細化，控制網(wǎng)格大小不超過200 mm×200 mm，船舶肩部以后部分簡化為剛體，通過關鍵字*PART_INERTIA控制其重量和重心。棱角冰幾何形狀為長方體，邊長6 m×6 m×8 m，冰體采用solid單元，網(wǎng)格大小為100 mm×100 mm×100 mm。所選船舶與棱角冰的接觸采用侵蝕接觸。

2 船舶舷側(cè)與冰體碰撞結(jié)構(gòu)響應

2.1 計算工況

建立如下坐標系：x軸方向為船寬方向，y軸方向為船長方向，z軸方向為吃水方向。為了對船舶航行過程中其肩部舷側(cè)區(qū)域與棱角冰發(fā)生碰撞進行模擬，仿真中，船舶處于自由狀態(tài)，以6 m/s的初速度沿與y軸呈10°夾角向冰體靠近，棱角冰位于所選船舶肩部舷側(cè)區(qū)域以外，其長邊與y軸方向平行，2 條短邊與x，z軸成一定夾角，與船舶肩部最接近的長棱邊的高度為10.5 m。對冰體與y軸平行且背離船舶肩部的 2個表面施加全約束，所選船舶部分模型與冰體模型的相對位置如圖1所示。

2.2 數(shù)值結(jié)果及分析

本文采用與冰體接觸區(qū)域船體外板上受到的平均應力以及碰撞過程中船體結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性破壞的程度作為指標，評價結(jié)構(gòu)是否需要加強以及加強方案的優(yōu)劣性。船舶肩部位于Fr148～Fr166之間，根據(jù)有限元計算結(jié)果，選取船長方向在Fr153～Fr164之間吃水方向在平臺板至以上第 4 根肋骨之間的外板作為接觸區(qū)域，如圖2黑色區(qū)域。需要說明的是，船冰碰撞過程中，上述接觸區(qū)域并非時時與冰體發(fā)生接觸，但整個過程船冰接觸區(qū)域集中在此。因此，平均應力并不能作為檢驗外板是否發(fā)生屈服的標準，但是，將不同舷側(cè)結(jié)構(gòu)上船體外板接觸區(qū)域受到的平均應力進行比較，可根據(jù)各自的應力狀況評價其結(jié)構(gòu)設計的好壞。

仿真模擬時間為1 s，時間步長為0.02 s。圖3顯示船舶肩部的塑性破壞情況，該船舶舷側(cè)采用高強度鋼AH32，材料所受應力超過315 MPa認為其達到屈服極限，此后發(fā)生塑性變形和破壞。圖中顯示，接觸區(qū)域的舷側(cè)外板在較大范圍內(nèi)發(fā)生塑性變形，其中3處塑性應變值超過0.2導致單元破壞。圖3為計算時間內(nèi)各時間步接觸區(qū)域外板單元上受到的平均應力，由于外板較早發(fā)生破壞，船冰相互侵入對方，在碰撞初始0.3 s以內(nèi)，應力值迅速增大后相對穩(wěn)定。因此，該船舶肩部舷側(cè)區(qū)域需要結(jié)構(gòu)加強。

3 舷側(cè)結(jié)構(gòu)常規(guī)加強方案及耐撞性能研究

棱角冰對船舶肩部的破壞集中在舷側(cè)冰帶線附近，結(jié)合圖紙信息及計算結(jié)果，將吃水方向在平臺板至以上第 4 根肋骨之間的船舶肩部舷側(cè)區(qū)域的構(gòu)件作為加強對象。本節(jié)中常規(guī)加強方案是指僅通過增加板厚或增設骨材來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的加強，且增設的骨材默認與結(jié)構(gòu)中同類構(gòu)件具有相同的結(jié)構(gòu)形式。為了使常規(guī)加強方案具有可比性，加強方案中所增加的鋼材重量保持不變。

3.1 加強方案

本節(jié)選取了 3 種常規(guī)加強方案進行舷側(cè)結(jié)構(gòu)加強，根據(jù)各自結(jié)構(gòu)響應情況比較其耐撞性能的優(yōu)劣。方案（a）：增加該區(qū)域舷側(cè)外板的厚度6 mm，保持其他構(gòu)件不變；方案（b）：在該區(qū)域肋骨之間1/2肋位處增設中間肋骨，等效為扁鋼厚度20 mm，保持其他構(gòu)件不變；方案（c）：在該區(qū)域縱骨之間1/2跨距處增設縱骨，等效為扁鋼厚度16 mm，保持其他構(gòu)件不變。

3.2 數(shù)值結(jié)果及分析

圖5為 3 種方案下，船舶肩部舷側(cè)接觸區(qū)域在1.0 s的塑性應變圖。 3 種方案，外板及舷側(cè)其他結(jié)構(gòu)均發(fā)生不同程度的塑性應變，方案（a）和方案（b）外板未發(fā)生失效，方案（c）外板上出現(xiàn)破口。1.0 s時刻，方案（a）中外板單元的最大塑性應變?yōu)?.18，節(jié)點的最大塑性變形為0.035 m；方案（b）中外板單元的最大塑性應變?yōu)?.16，節(jié)點的最大塑性變形為0.028 m。從舷側(cè)各構(gòu)件在 3 種方案下發(fā)生塑性破壞的程度來看，方案（b）均優(yōu)于其他 2 種方案。與原結(jié)構(gòu)相比，3 種方案中外板的塑性破壞程度雖有所減輕，但仍產(chǎn)生較大的塑性應變。結(jié)合本節(jié)的結(jié)論可知，增設橫向構(gòu)件對于提升舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性能較為顯著，為了進一步降低外板的塑性破壞程度，有必要改變所增設的舷側(cè)橫向構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式。

圖6為 3 種方案下，所選船舶肩部舷側(cè)接觸區(qū)域船體外板上受到的平均應力。將加強后與未加強前外板上受到的平均應力作比較，發(fā)現(xiàn)加強后的平均應力總體上偏小，但在個別時間段內(nèi)曲線急劇上升再下降[9]，這與外板是否失效以及外板抵抗載荷的參與程度有關。未加強前外板在冰載荷作用下發(fā)生破壞，由于結(jié)構(gòu)較弱棱角冰較早侵入船體，外板雖有失效但船冰仍緊密接觸，應力曲線迅速上升至某一點后平緩變化，加強方案中外板接觸區(qū)域各單元始終參與抵抗外載荷，當外載荷增大時，其受到的應力陡增，當接觸相對松弛時，其受到的應力迅速減小?？梢园l(fā)現(xiàn)，方案（b）和方案（c）的平均應力總體小于方案（a），這說明在所選船舶肩部舷側(cè)區(qū)域增設中間肋骨以及縱骨可以有效分解外板抵抗冰載荷的壓力，優(yōu)化外板上的應力分布。方案（c）中外板發(fā)生破壞，部分單元在失效后不再抵抗冰載荷，因此，其應力總體小于方案（b）。

4 新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)設計及耐撞性能研究

采用常規(guī)加強方案對所選船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)進行加強，將各方案中外板接觸區(qū)域的響應與未加強前比較，接觸區(qū)域的應力水平和變形情況都有了不同程度的改善。仍然存在的問題是，由于加強構(gòu)件不能均勻的分布在外板與骨材之間，從而不能將外板局部區(qū)域受到的冰載荷有效地傳遞給支撐構(gòu)件，導致應力狀態(tài)不穩(wěn)定，在某些時間段突然急劇上升再下降，在塑性破壞方面，外板產(chǎn)生的塑性應變?nèi)暂^大。為了改善這種情況，在方案（b）的基礎上，本節(jié)設計了 2 種新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)。

4.1 新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)

為了與常規(guī)加強方案具有可比性，本節(jié)中新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)所增加的構(gòu)件重量與上節(jié)保持不變。方案（d）：將方案（b）一道中間肋骨改為兩道交叉呈X形布置的肋骨[10]，其垂直部分的厚度為18 mm，傾斜部分的厚度為19 mm，位于相鄰肋位的中間1/3肋距內(nèi)，保持其他構(gòu)件不變；方案（e）：將方案（b）一道中間肋骨改為兩道，兩道肋骨之間通過水平支撐板連接，肋骨的厚度為18 mm，支撐板的厚度為20 mm，整個肋骨結(jié)構(gòu)呈H形，位于相鄰肋位的中間1/3肋距內(nèi)，保持其他構(gòu)件不變。X形，H形肋骨結(jié)構(gòu)的剖面形狀如圖7所示。

4.2 數(shù)值結(jié)果及分析

圖8為 2 種方案下，船舶肩部舷側(cè)接觸區(qū)域在1.0 s的塑性應變圖。相比常規(guī)加強方案，2 種新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的塑性應變偏小，舷側(cè)外板均未發(fā)生失效。1.0 s時刻，方案（d）中外板單元的最大塑性應變?yōu)?.16，節(jié)點的最大塑性變形為0.026 m；方案（e）中外板單元的最大塑性應變?yōu)?.12，節(jié)點的最大塑性變形為0.021 m。比較方案（d）和方案（b），可以發(fā)現(xiàn)，將一道中間肋骨改為兩道交叉布置的斜肋骨，對于減小外板的變形效果不大。外板上產(chǎn)生最大塑性應變的區(qū)域與肋骨傾斜部分處于同一高度，即集中在肋骨傾斜部分前后兩側(cè)，肋骨相互交叉可以使其連接更加緊密從而能夠及時傳遞載荷，但與肋骨傾斜部分處于同一高度的外板并沒有得到比方案（b）更有效的加強。方案（e）舷側(cè)外板所產(chǎn)生的塑性應變明顯小于方案（b）和方案（d），此外考察舷側(cè)其他構(gòu)件所產(chǎn)生的塑性應變均小于方案（b）和方案（d），H形肋骨的設計既考慮了其能夠較好地傳遞載荷又避免了肋骨連接部位得不到有效加強的問題，抵抗塑形破壞的效果最為理想。

圖9為 2 種方案下，船舶肩部舷側(cè)接觸區(qū)域船體外板上受到的平均應力。研究方案（d）和方案（e），不難發(fā)現(xiàn)，2 種方案下其應力曲線較其他方案上下波動相對緩和，說明在整個碰撞過程中，由于外板上受到的冰載荷能夠有效地傳遞給其他構(gòu)件，外板不需要在很小的區(qū)域單獨抵抗外載，加載——卸載現(xiàn)象不如上節(jié)明顯，其應力狀態(tài)較為穩(wěn)定。碰撞過程中，方案（e）外板接觸區(qū)域的平均應力低于方案（d），說明方案（e）中舷側(cè)接觸區(qū)域的骨架在抵抗外載荷方面效果更顯著。

4.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施及建議

在所選船舶肩部舷側(cè)接觸區(qū)域肋位間增設的新型肋骨結(jié)構(gòu)尤其是H形肋骨結(jié)構(gòu)，無論從外板塑形破壞程度或從其受到的平均應力來看，都具有較優(yōu)的抗冰碰撞性能。但由于僅僅是增加構(gòu)件，對原始結(jié)構(gòu)的合理性、優(yōu)劣性沒有也不能給予必要的考慮。如果結(jié)構(gòu)仍然處于設計階段，根據(jù)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計的思路，能夠確定的設計變量不再局限于所增設的構(gòu)件尺寸、結(jié)構(gòu)形式等。在滿足約束條件的情況下，可以改變結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件的尺寸、結(jié)構(gòu)形式等，使目標函數(shù)取得最優(yōu)的結(jié)果。

本文并不旨在通過有限元方法獲得某個目標函數(shù)的最優(yōu)解，但在檢查各構(gòu)件響應時發(fā)現(xiàn)即使是方案（e），舷側(cè)接觸區(qū)域內(nèi)部各構(gòu)件仍然存在所受應力水平以及塑性破壞程度不均的情況，甚至差別較大。若外載荷增大，鑒于冰體材料、形狀的特殊性，船冰接觸可能是冰的尖點與船接觸，其對舷側(cè)結(jié)構(gòu)的作用面積小且壓強大，極少數(shù)構(gòu)件的失效將引起嚴重的結(jié)構(gòu)損傷。本節(jié)在方案（e）的基礎上對舷側(cè)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，保持結(jié)構(gòu)重量不變，通過改變該區(qū)域各構(gòu)件的尺寸參數(shù)，縮小上述差距，同時不加重外板上承受的平均應力及其塑性破壞的程度。

方案（e）中，舷側(cè)橫隔板的塑性應變?yōu)?.16，遠遠大于其他構(gòu)件，考慮到舷側(cè)外板的重要性，在方案（e）的基礎上，增加接觸區(qū)域舷側(cè)外板的厚度至17 mm，將橫隔板的厚度增加1 mm，同時減小舷側(cè)肋骨（不含新型肋骨結(jié)構(gòu)）以及縱骨的厚度至19 mm。圖10為優(yōu)化前后舷側(cè)內(nèi)部各構(gòu)件在1.0 s的塑性應變圖，通過比較發(fā)現(xiàn)各構(gòu)件產(chǎn)生的塑性應變差距縮小，舷側(cè)橫隔板的塑性應變?yōu)?.12，接近外板單元的最大塑性應變0.1。圖9中藍色曲線顯示優(yōu)化以后船體外板上受到的平均應力，由圖可知，上述優(yōu)化仍然保持外板較為穩(wěn)定的應力狀態(tài)并使其承受的平均應力略有減小。

不難發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)設計滿足基本強度和剛度要求時，檢查各類構(gòu)件所處的應力狀態(tài)和應變情況是否存在較大差異十分必要。通過本節(jié)的優(yōu)化，舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗冰碰撞性能進一步提升，在結(jié)構(gòu)性能遠遠滿足要求的前提下則可以適當減小構(gòu)件尺寸，降低成本。根據(jù)有限元計算結(jié)果，進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，調(diào)整各構(gòu)件的尺寸，可以達到合理利用鋼材、提高結(jié)構(gòu)性能的目的。

5 結(jié) 語

本文介紹了船—冰碰撞數(shù)值仿真中涉及的關鍵技術，以船舶肩部舷側(cè)區(qū)域與棱角冰發(fā)生碰撞作為計算工況，對所選船舶舷側(cè)與冰體碰撞進行了數(shù)值仿真，根據(jù)舷側(cè)響應情況指出其進行結(jié)構(gòu)加強的必要性。在此基礎上，提出 3 種舷側(cè)常規(guī)加強方案，比較了各自與冰體接觸區(qū)域船體外板上受到的平均應力以及碰撞過程中船體結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性破壞的程度，指出結(jié)構(gòu)仍然存在的問題。針對上述問題，設計了 2 種新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)并對其進行優(yōu)化，分析了各自與冰體碰撞的響應情況，得到如下結(jié)論：

1）在本文所述保持所增加構(gòu)件重量一定的情況下，針對棱角冰對油船舷側(cè)的破壞，增設橫向構(gòu)件比增設縱向構(gòu)件更加有效。

2）新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)將所加構(gòu)件更加均勻分布在外板接觸區(qū)域內(nèi)，避免了外板在很小的區(qū)域單獨抵抗外載，使得外板的應力狀態(tài)更加穩(wěn)定，產(chǎn)生的塑性應變更小。對比 2 種新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)可知，H形肋骨結(jié)構(gòu)形式耐撞性能優(yōu)于X形。

3）鑒于冰體材料、形狀的特殊性，將縮小舷側(cè)結(jié)構(gòu)中各類構(gòu)件所處的應力狀態(tài)和應變情況的差距作為對其進行優(yōu)化的目標之一十分必要，考慮并解決該問題，可以達到合理利用鋼材、提高結(jié)構(gòu)抗冰碰撞性能的目的。

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Strengthening method and optimization design for a ship′s side to resist ice collision load

ZHANG Miao-rong1, WANG Xiang-kang1, ZHANG Jian2, ZHANG Yi-fei1
(1. College of Shipping and Electromechanical Engineering, Taizhou University, Taizhou 225300, China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering., Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

In this paper, key technique used in numerical simulation of ship-ice collision was introduced, the collision between the side of a ship’s shoulder and angular ice was taken as computation condition, the necessity for structure strengthen was pointed out in view of the response of its side. Several conventional strengthening methods were proposed on this basis, the mean stress that hull plates in contact region

and the degree of plastic damage of hull structure are contrasted respectively, the problem that still existed and the direction for subsequent strengthening were stated. Finally, two new side structures were designed, one of them was optimized and whose fine performance in resisting ice collision load was verified, relevant conclusions about structural design of ship’s side in resisting ice collision load were obtained.

collision between ships and ice；ice model；structural strengthening；optimization design

U661.4

A

1672 – 7649(2017)09 – 0029 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.006

2016 – 12 – 03；

2016 – 12 – 30

國家自然科學基金資助項目(51579121)；江蘇省高校自然基金重大資助項目(15KJA580002)；江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目(201512917013Y)

張淼溶(1989 – )，男，博士研究生，助教，研究方向為船舶與海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)性能、非線性振動。