新型復(fù)合板舷側(cè)結(jié)構(gòu)與冰碰撞數(shù)值研究

王　林， 馬國寶

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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新型復(fù)合板舷側(cè)結(jié)構(gòu)與冰碰撞數(shù)值研究

王林， 馬國寶

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要采用新型波紋板核聚氨酯復(fù)合板替代傳統(tǒng)的舷側(cè)外板，提高舷側(cè)結(jié)構(gòu)的抗冰能力。并通過ANSYS/LS-DYNA仿真模擬冰與舷側(cè)的碰撞作用，考慮應(yīng)變率影響，冰材料采用應(yīng)變率相關(guān)塑性模型。比較分析原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)在冰體碰撞作用下的結(jié)構(gòu)變形損傷、碰撞力和能量吸收情況。

關(guān)鍵詞波紋板核聚氨酯復(fù)合板舷側(cè)冰碰撞

0引言

兩極地區(qū)豐富的海洋資源吸引著人類關(guān)注，現(xiàn)在已有一些國家在北極地區(qū)進(jìn)行資源開發(fā)。近年來，由于氣候變暖，北極海域冰密度降低，北極通航成為可能。在這些海域航行的船舶都無法避免海冰載荷的問題。船舶一旦與冰山發(fā)生碰撞，往往會(huì)造成結(jié)構(gòu)局部破損，導(dǎo)致貨物外泄，甚至沉船等嚴(yán)重后果，對(duì)環(huán)境和生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大影響。因此，在冰區(qū)航行的船舶非常有必要提高其結(jié)構(gòu)的抗冰性能。

與冰區(qū)船舶結(jié)構(gòu)安全密切相關(guān)的一個(gè)重要問題就是冰的局部碰撞載荷，因此船冰碰撞現(xiàn)已成為研究熱點(diǎn)之一。挪威科技大學(xué)Zhenhui Liu、Jфrgen Amdahl[1-2]研究了船舶與冰山碰撞的外部動(dòng)力學(xué)及內(nèi)部動(dòng)力學(xué)問題。美國船級(jí)社Bo Wang等[3]研究船舶與可壓碎冰的作用，并進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)有限元分析。G. W. Timco等人[4]總結(jié)了北極冰區(qū)冰的物理和力學(xué)性質(zhì)，為具體應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文針對(duì)船舶與冰碰撞的情形，提出舷側(cè)外板使用波紋板核聚氨酯復(fù)合板，以提高結(jié)構(gòu)抗冰能力，并應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件計(jì)算分析不同碰撞情形下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

1冰的物理力學(xué)性質(zhì)及材料模型

1.1物理力學(xué)性質(zhì)

冰的溫度在斷面上呈線性分布，露出水面以上部分的溫度幾乎等于大氣溫度，水面以下部分溫度與海水溫度接近[5]。在不同溫度下，冰的性能差異較大。密度與其鹽度、溫度、和氣泡含量有關(guān)。密度是海冰的一個(gè)重要屬性，其大小決定了冰的抗壓強(qiáng)度。密度可以看作溫度與鹽度的函數(shù)，其變化關(guān)系比較復(fù)雜。

(1) 抗壓強(qiáng)度。

船與冰發(fā)生碰撞時(shí)，冰的壓縮強(qiáng)度決定了冰對(duì)船舶作用載荷的大小。單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率、溫度、孔隙率和晶體方向有關(guān)。隨著應(yīng)變率的變化，冰的破壞過程分為韌性區(qū)、脆韌轉(zhuǎn)變區(qū)和脆性區(qū)。在溫度較高，低應(yīng)變率下，抗壓強(qiáng)度可小于1 MPa；溫度較低，高應(yīng)變率下，抗壓強(qiáng)度可達(dá)幾十兆帕。

(2) 抗彎強(qiáng)度。

抗彎強(qiáng)度決定了冰對(duì)傾斜結(jié)構(gòu)作用載荷，其大小通常通過3點(diǎn)或4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測得?？箯潖?qiáng)度受眾多因素影響，如鹽度、溫度、加載速率等。在不同的溫度下，抗彎強(qiáng)度的差異較大。隨著加載速率的變化冰的彎曲可分為3個(gè)階段——延性區(qū)、過渡區(qū)、脆性區(qū)。彎曲強(qiáng)度在過渡區(qū)最大，在延性區(qū)和脆性區(qū)與應(yīng)力率呈對(duì)數(shù)關(guān)系；溫度升高彎曲強(qiáng)度降低，二者為指數(shù)關(guān)系[6]。

(3) 剪切強(qiáng)度。

冰的剪切強(qiáng)度相關(guān)研究文獻(xiàn)較少，因?yàn)楸苌僭诩兗羟星闆r下被破壞，多數(shù)為混合破壞形式。文獻(xiàn)表明，冰的剪切強(qiáng)度與溫度、鹽度、密度、加載方向有關(guān)[7-9]。Serikov[10]通過實(shí)驗(yàn)測得-0.9℃～-4.1℃的冰平均剪切強(qiáng)度為0.9 MPa；Dykins[11]得出冰剪切強(qiáng)度隨溫度降低呈增長趨勢，實(shí)驗(yàn)測得-4℃～-27℃的冰剪切強(qiáng)度從0.14 MPa增加至0.35 MPa。

1.2冰材料模型

冰的性質(zhì)受眾多因素的影響，如溫度、鹽度、孔隙等，抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量等屬性數(shù)值變化較大，是一種典型屬性多樣性材料，因此冰的材料屬性和其本身結(jié)構(gòu)關(guān)系非常復(fù)雜。本文將冰簡化為彈塑性材料，在各個(gè)方向上無明顯力學(xué)性能差異，即為各向同性材料。

應(yīng)變率是冰力學(xué)行為的一個(gè)重要影響因素，其影響可歸結(jié)為三個(gè)階段：韌性階段、過渡階段、脆性階段。冰的屈服應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增加逐漸上升，達(dá)到最大值后略有下降，而最大值出現(xiàn)在應(yīng)變率10-3s-1左右，此時(shí)冰破壞更近似脆性破壞。

冰的強(qiáng)度受溫度的影響也較大。從-3℃～-35℃，應(yīng)變率為1.5×10-1s-1時(shí)，平均每降低1℃抗壓強(qiáng)度增加0.78 MPa；應(yīng)變率為2×-3s-1時(shí)，平均每降低1℃抗壓強(qiáng)度可增加0.6 MPa[12]。

彈性模量在不同應(yīng)變率下并無明顯變化[13]，影響彈性模量的因素主要是溫度、鹽度、孔隙率等。在不同溫度和鹽度下，彈性模量范圍分布較廣，在1.7 GPa～9.0 GPa之間。密度對(duì)冰彈性模量的影響比較大，從600 kg/m3～900 kg/m3，彈性模量就有一個(gè)數(shù)量級(jí)的差距。本文計(jì)算以-10℃的冰為例，其密度約為900 kg/m3，其彈性模量約為8.3 GPa。

冰材料的泊松比與應(yīng)變率、溫度、密度有關(guān)，通常由動(dòng)態(tài)測量方法得到，對(duì)于密度大于800 kg/m3冰，其泊松比受孔隙的影響較小，且數(shù)值在0.3～0.4，本文取0.33。

在數(shù)值模擬中冰材料采用*MAT_STRAIN_RARE_DEPENDENT_PLASTICITY模型。以最大等效塑性應(yīng)變作為材料失效模式，取最大應(yīng)變值為0.1。材料屬性詳如表1所示。

表1　冰材料參數(shù)

2波紋板核聚氨酯復(fù)合板舷側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文選用一艘遠(yuǎn)洋無限航區(qū)的成品油船為研究對(duì)象，本船載重量約為12 700 t，貨油艙區(qū)域?yàn)殡p底雙殼結(jié)構(gòu)。船舶主尺度如表2所示。

表2　某成品油船主尺度參數(shù)

船舶發(fā)生碰撞時(shí)，在所有構(gòu)件中外板對(duì)抵抗撞擊起到至關(guān)重要作用。本文對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)設(shè)計(jì)主要從舷側(cè)外板著手，進(jìn)一步提升外板的性能，從而改善整體結(jié)構(gòu)的抗撞擊能力。由研究結(jié)果知道波紋板核聚氨酯復(fù)合板具有良好的抗撞擊性能，根據(jù)等質(zhì)量原則將原有舷側(cè)外板替換為新的復(fù)合板。復(fù)合板面板等厚，均為4 mm，芯層高度20 mm，波紋芯板厚1 mm。肋骨間距700 mm，每4檔設(shè)置一根強(qiáng)肋骨。對(duì)其貨油艙區(qū)舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，建立一個(gè)貨艙區(qū)域的有限元模型，長19.6 m。船體鋼材采用PLASTIC KINEMATIC模型，以最大塑性應(yīng)變?yōu)槭?zhǔn)則，考慮溫度及其他因素影響，取鋼材最大應(yīng)變?yōu)?.28。夾層板中聚氨酯芯材同樣采用PLASTIC KINEMATIC模型，不考慮應(yīng)變率影響。材料參數(shù)如表3所示。根據(jù)初步的試算結(jié)果，略去遠(yuǎn)離舷側(cè)的船底部分和甲板部分，因?yàn)檫@些遠(yuǎn)離的結(jié)構(gòu)在舷側(cè)受到碰撞時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力非常小，省略這些結(jié)構(gòu)可以提高計(jì)算效率。

表3　材料參數(shù)

3船-冰碰撞工況設(shè)定

根據(jù)挪威船級(jí)社(DNV)推薦的冰體形狀，本文以立方體冰體為例。文獻(xiàn)[14]表明，在各種形狀的冰體中，立方體冰與船舶碰撞對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成的損傷最大。在仿真模擬中，只建與船體發(fā)生接觸的冰體模型，其他未接觸部分的形狀對(duì)數(shù)值計(jì)算而言并不重要，為了提高計(jì)算效率，采用剛體代替冰體的未接觸部分，表示其對(duì)接觸部分的推動(dòng)作用。

船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)的兩端采用固定約束，表示船體其他結(jié)構(gòu)的約束作用。冰體棱角與舷側(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，碰撞中心位置為圖1中的A位置和B位置，冰體以6 m/s的速度與舷側(cè)垂直碰撞。圖2為冰體與舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞示意圖。

圖1　舷側(cè)碰撞位置示意圖　　　　　　　　　　　　圖2　冰體與舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞示意圖

4結(jié)果分析

4.1工況一

(1) 變形損傷。

從圖3中可以看出，新結(jié)構(gòu)的損傷程度相對(duì)原結(jié)構(gòu)小。對(duì)應(yīng)冰體損傷如圖4所示。原結(jié)構(gòu)在碰撞發(fā)生0.18 s后，外板破損，此時(shí)外板變形深度為0.62 m。外板破損之后，尖銳的冰體端部迅速刺入船體，冰體邊緣切割外板和縱骨。最終，相鄰肋板被壓潰，內(nèi)壁板變形深度為0.32 m。新結(jié)構(gòu)在碰撞發(fā)生0.24 s后，外板變形深度達(dá)到0.94 m時(shí)，外板破裂。碰撞結(jié)束時(shí)，內(nèi)壁板變形量為0.21 m。相比原結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)在發(fā)生碰撞后，冰體侵入減少，外板被劃割破壞范圍降低，外板破損時(shí)間推遲0.06 s，為原結(jié)構(gòu)外板破損時(shí)間的1.33倍，極限撞深提高52%，內(nèi)壁板的變形減少34%。這些方面的改變說明，相較于原結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)抵抗冰撞擊的能力得到提高。

圖3　舷側(cè)結(jié)構(gòu)變形損傷圖

圖4　冰體損傷圖

(2) 碰撞力。

碰撞力變化過程如圖5所示。原結(jié)構(gòu)在碰撞發(fā)生0.18 s時(shí)，碰撞力為8.24×106N。外板破裂之后，碰撞力并沒有大幅降低，而是在較高水平上維持了一段時(shí)間，在8×106N上下波動(dòng)，冰體邊緣切割構(gòu)件過程持續(xù)約0.4 s。新結(jié)構(gòu)在碰撞發(fā)生0.24 s時(shí)，碰撞力在達(dá)到峰值1.15×107N后，力開始卸載。外板破損后，碰撞力在9.5×106N上下波動(dòng)并持續(xù)了0.2 s，相比原結(jié)構(gòu)持續(xù)時(shí)間縮短50%，最大作用力提高29%，外板破損后的抵抗作用力提高18.8%。因此說明相較于原結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，可有效降低結(jié)構(gòu)損傷，具有更強(qiáng)的抗冰能力。

圖5　碰撞力時(shí)間歷程曲線

(3) 能量。

從圖6可以看出，兩種結(jié)構(gòu)總吸能相差不大，原結(jié)構(gòu)比新結(jié)構(gòu)多0.2 MJ。原結(jié)構(gòu)在0.18 s外板破裂，結(jié)構(gòu)吸能2.56 MJ。而新結(jié)構(gòu)外板達(dá)到極限撞深時(shí)，結(jié)構(gòu)吸能4.95 MJ，比原結(jié)構(gòu)提高93.4%。說明新結(jié)構(gòu)與尖銳冰體發(fā)生碰撞時(shí)，結(jié)構(gòu)破損前可以比原結(jié)構(gòu)吸收更多的撞擊能量，具有更強(qiáng)的抗撞性能。新結(jié)構(gòu)的外板吸能有所增長，且占總能量比重也有提高。平臺(tái)板吸收能量增加81%，縱骨吸收能量減少33.6%，說明新結(jié)構(gòu)強(qiáng)構(gòu)件抵抗撞擊作用更大，結(jié)構(gòu)剛度較高，變形范圍較大，可更好地避免局部嚴(yán)重受損。內(nèi)壁板吸收能量僅為原來的28.9%，可見冰的撞擊對(duì)船體內(nèi)部的影響大幅降低，新結(jié)構(gòu)可達(dá)到更好的防護(hù)效果。

圖6　舷側(cè)結(jié)構(gòu)能量吸收曲線

4.2工況二

(1) 變形損傷。

從圖7可以看出新結(jié)構(gòu)的損傷程度大幅降低。對(duì)應(yīng)冰體損傷如圖8所示。原結(jié)構(gòu)在碰撞發(fā)生0.21 s后，外板破損，此時(shí)外板撞深0.61 m。之后，冰體端部侵入船體，棱邊開始切割外板，損傷范圍快速擴(kuò)大。冰體侵入的端部繼續(xù)擠壓平臺(tái)板與肋骨，致使二者完全斷裂，并且分離，徹底失去承載作用。最終，內(nèi)壁板變形量為0.26 m。新結(jié)構(gòu)在碰撞發(fā)生0.29 s后，外板破損，撞深達(dá)到0.86 m。外板損傷從平臺(tái)板與肋骨交匯處開始慢慢擴(kuò)展，最終損傷范圍達(dá)到長約1 m，寬0.5 m。碰撞結(jié)束時(shí)，內(nèi)壁板變形深度為0.31 m。與原結(jié)構(gòu)相比，外板破損時(shí)間延長38%，極限撞深提高41%。內(nèi)壁板變形有所增加，是因?yàn)橥獍鍎偠认鄬?duì)較大，推動(dòng)支撐構(gòu)件向內(nèi)變形，但整體結(jié)構(gòu)的損傷卻大幅降低。

圖7　舷側(cè)結(jié)構(gòu)變形損傷圖

圖8　冰體損傷圖

(2) 碰撞力。

圖9為碰撞力時(shí)間歷程曲線。原結(jié)構(gòu)在碰撞發(fā)生0.11 s時(shí)，平臺(tái)板與肋骨即被壓皺，碰撞力出現(xiàn)卸載。至0.16 s時(shí)，平臺(tái)板與肋骨在連接處出現(xiàn)斷裂，碰撞力小幅降低后繼續(xù)升高。在0.21 s時(shí)，碰撞力輕微卸載后繼續(xù)上升。從0.33 s～0.6 s，保持較高作用力，最大值為9.25×106N。采用新結(jié)構(gòu)后，圖中可以看到碰撞力在0.09 s、0.13 s、0.2 s這些時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)卸載現(xiàn)象，這些時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)平臺(tái)板被壓皺，肋骨與平臺(tái)板連接處斷裂，以及縱骨變形失效等結(jié)構(gòu)變化。在0.29 s碰撞力卸載后又增加到最大值13.5×106N。數(shù)據(jù)表明，兩種結(jié)構(gòu)在外板破損后碰撞力沒有降低，而是繼續(xù)增加。這是因?yàn)榕鲎参恢迷趶?qiáng)構(gòu)件處，強(qiáng)構(gòu)件是主要支撐構(gòu)件，外板雖然破損，但這些構(gòu)件依然可以有效地抵擋冰的撞擊。相比之下，發(fā)生冰體碰撞時(shí)，新結(jié)構(gòu)的碰撞力提高45.9%，冰對(duì)結(jié)構(gòu)的作用時(shí)間縮短約1.3 s。

圖9　碰撞力時(shí)間歷程曲線

(3) 能量。

從圖10可看出兩種結(jié)構(gòu)能量吸收的差異，最終原結(jié)構(gòu)吸能12.2 MJ，新結(jié)構(gòu)吸能11.59 MJ。主要原因是原結(jié)構(gòu)被冰體刺穿，冰體侵入過程中結(jié)構(gòu)破壞加劇，這一過程持續(xù)時(shí)間較長，因此能量吸收增加。原結(jié)構(gòu)在外板破損時(shí)吸能4 MJ，而新結(jié)構(gòu)外板破損時(shí)吸能7.15 MJ，相比提高79%。結(jié)構(gòu)發(fā)生破損前，新結(jié)構(gòu)吸能相對(duì)大幅提高。從冰消耗的能量來看，與新結(jié)構(gòu)碰撞消耗1.93 MJ，相比原結(jié)構(gòu)增加41%。說明新結(jié)構(gòu)剛度更大，使冰更多地破碎，消耗碰撞能量，從而減少結(jié)構(gòu)損傷。

5結(jié)論

利用數(shù)值方法，模擬舷側(cè)結(jié)構(gòu)兩個(gè)不同位置與冰碰撞的過程，并對(duì)比分析新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，得出如下結(jié)論：

(1) 冰體與舷側(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞時(shí)，A位置比B位置更容易破損，冰體侵入船體時(shí)，冰的邊緣對(duì)外板、縱骨等構(gòu)件產(chǎn)生切割作用，使破損加劇。

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(2) 采用波紋板核聚氨酯復(fù)合板替換原有外板后，新結(jié)構(gòu)與冰發(fā)生碰撞后損傷明顯降低，在碰撞力、能量吸收方面均有大幅改善，抗冰能力提升。

圖10　舷側(cè)結(jié)構(gòu)能量吸收曲線

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作者簡介：王林(1963-)，男，教授，主要從事結(jié)構(gòu)沖擊與防護(hù)、船舶與海洋結(jié)構(gòu)加固研究。

中圖分類號(hào)U662

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

Reach on Numerical Simulation of Collision between Corrugated-core Sandwich Plate Side Structure with Iceberg

WANG Lin, MA Guo-bao

(Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

AbstractTo increase the ability of ice resistance, side plate was substituted for corrugated-core sandwich plate. Ice-ship collision was simulated through ANSYS/LS-DYNA, in which the strain rate influence was considered, and the ice material was strain rare dependent plasticity model. The responses of old structure and new structure collision with ice were calculated. And then, impact fore, deformation and energy of different structures were compared.

KeywordsCorrugated-core sandwich plateSide structureIce collision