根据美国地质研究机构（USGS）在2008年估计，在北极圈大约拥有占世界30%的未开发的天然气和13%未开发的石油。在全球能源需求不断增长的情况下，去北极圈开采石油、天然气成为近年来的趋势，北极地区也被认为是仅次于中东的第二大油田。“西北航道”（加拿大沿岸）以及“东北航道”（西伯利亚沿岸）的开通也促使更多的船舶经过北极航道运输货物^[1-3]。然而，北极地区环境条件严酷、冰情极其复杂，冰区船舶必须进行特殊设计才能够抵抗恶劣的天气。所以对冰区航行船的研究对我国船舶在冰区航行时安全性的提高、海上航运人员安全的保障、北极地区资源的开发利用等方面都具有重要的科研意义和经济价值^[4]。

因此，本文基于MSC.Dytran对 1 艘 300 000 t 冰区航行船与层冰碰撞进行动态仿真，对碰撞结构响应情况进行评估，并提出结构加强建议。

研究对象为 1 艘无限航区的成品油船，该船为双底双壳，球鼻型首，满载排水量为 300 000 t，船舶主尺度如表1所示。

表 1(Tab. 1)

表 1 船舶主尺度 Tab. 1 The principal dimensions of the ship 参数 数值 参数 数值 总长LOA/m 333.00 设计吃水TD/m 20.50 垂线间长LPP/m 320.00 结构吃水TSC/m 21.80 结构船长LS/m 316.22 梁拱/m 1.20 型宽B/m 60.00 方形系数Cb 0.825 型深D/m 29.80 服务航速V/kn 15.70

表 1 船舶主尺度 Tab.1 The principal dimensions of the ship

由于船冰碰撞主要作用位置是在船首部，所以船舶其他位置的结构可以进行大量简化，诸如中尾部船舱内部的人孔、角隅过渡、纵骨等都可进行一定的简化处理^[5]。

虽然船舶为无限航区船，但在冰区航行时会降低航速，假设船航速为10 kn，冰厚0.7 m，计算时间历程为4 s。参考相关参考文献，由于层冰方向航行长度不足20 m，所以假设冰宽80 m，约为撞深的 4 倍；船宽为60 m，取层冰长度160 m，接近船宽的 3 倍^[6]。

船用钢参数如表2所示。

表 2(Tab. 2)

表 2 300 000 t 油船材料参数[7] Tab. 2 The material of the 300 000 t oil tanker 名称 材料参数 名称 材料参数 屈服应力σ0/Pa 2.35×108 泊松比μ 0.3 弹性模量E/Pa 2.06×1011 应变率参数D 40.5 硬化模量E/Pa 1.18×109 应变率参数p 5 密度ρ*/kg·m-3 7 850 最大失效应变ε 0.28 *船舶建模时各舱段有简化，通过调整材料密度的方法来改变舱段的重量分布情况以及惯量。

表 2 300 000 t 油船材料参数[7] Tab.2 The material of the 300 000 t oil tanker

层冰参数如表3所示。

表 3(Tab. 3)

表 3 冰体材料参数[8 – 9] Tab. 3 The material of the level ice 材料属性 数值 材料属性 数值 材料密度/kg·m-3 900 截断压力/MPa –4 弹性模量/GPa 2 体积模量/GPa 5.26 泊松比 0.3 塑性硬化模量/GPa 4.36 剪切模量/MPa 3.571 塑性失效应变 0.35

表 3 冰体材料参数[8 – 9] Tab.3 The material of the level ice

由于船冰碰撞中涉及到水，一般处理流体影响的方法有：流固耦合、附连水质量法、等效船体梁法。一般附连水质量大约是船体质量的0.02～0.07倍，此处设为0.05，所以船舶质量为^[6]：

其中m_ship为船舶排水量300 000 t。针对流固耦合及附连水质量法进行比较分析，图1为 2 种方法的接触力及冰吸能情况。

图 1 两种方法的接触力和能量吸收 Fig. 1 The contact force and energy dissipation of the two methods

接触力的趋势以及量级都大致相同，能量吸收过程中最大误差也仅仅差3.15%，考虑到流固耦合计算用时163 h，而附连水质量法只耗时6 h，所以在误差范围内可以考虑用附连水质量法进行计算。

由于碰撞区主要为船首，所以船首尽量使用较为精细的网格，但是网格大小很难有一个通用的公式确定，试算 400 mm，300 mm，200 mm，100 mm的网格，发现船首碰撞应力云图差距较大，网格越精细，细节越明显，如图2（a）为 200 mm 网格云图，图2（b）为100 mm网格云图，云图精细程度相差较大。所以继续细化网格，计算50 mm大小的网格，如图2（c），结果精细程度与100 mm差不多，考虑到计算时间比100 mm网格计算时间多40%，所以对于涉冰带（水线附近外板、肋骨等结构）的网格采用100 mm×100 mm的面单元，其他与冰未接触以及离涉冰带距离较远的结构采用500 mm×500 mm的面单元。冰的单元尺寸按照经验设为500 mm×500 mm×350 mm的体单元^[6]。

图 2 不同网格尺寸的等效应力云图 Fig. 2 Von mises nephogram of different dimensions

经过试算后，船体外板结构应变不大，不至于产生自接触，所以只采用外板与层冰的自适应接触。为避免“砂漏（Hourglass）”现象的出现，在划分单元网格时，从面尺寸要比主面的更加细密，所以设置冰体为主接触面，船外壳为从接触面。为了模仿船体与大块层冰的接触，将层冰的三边固支。

在船接触层冰的瞬间，冰的压力分布是呈扇形的由接触点向周围辐射，越靠近接触点应力越大；在船与冰接触过程中，层冰上的应力呈圆周式分布并向四周扩散，船前行过程中将冰撞碎，并在层冰上形成船水线的形状，虽然压力分布也呈辐射状，但是并没有刚接触时那么集中，高应力位置主要集中在接触的周边，如图3所示。

图 3 碰撞过程中的等效应力云图 Fig. 3 Von mises nephogram of the collision

船体应力分布主要集中在船首涉冰区，随着船体撞击的深入，应力在涉冰区不断向四周扩散，远离涉冰带之后应力迅速减小，离涉冰区3 m外基本应力就很小了，到船中尾部基本无影响，如图4（a）所示。在船体内部的应力则主要集中在涉冰带附近的肋骨上，最大变形量为0.12，虽然产生塑性变形，但是船体没有发生破坏，如图4（b）所示。

图 4 外壳及骨架的等效应力云图 Fig. 4 Von mises nephogram of the shell and the longitudinal

图5（a）～图5（c）分别为船与冰碰撞时候X（船首为X正方向）、Y（左舷为Y正方向）、Z（船上部为Z正方向）方向接触的总力，可以明显看到X方向的力远大于Y和Z方向的力，这是由于X方向为正碰撞方向，YZ方向的力主要是由于摩擦力引起的受力，随着船舶碰撞时候的上下震动，导致受力方向的不断变化。X方向冰载荷有不断变大的趋势，这是由于随着接触的进行，船冰接触的面积越来越大，总的接触力也不断增加，峰值为17.57 MN，出现在2.1 s处。从图中可看出，在与船舶与冰接触过程中，每次船舶与冰接触时，冰载荷都出现一个峰值，然后迅速回落。这是由于冰与船接触时，冰层达到破坏强度极限发生破碎，层冰的破坏导致船舶与下一个层冰接触点之间存在间隙，使得冰载荷迅速回落。当船与层冰碰撞过程中再次上述过程，致使碰撞力产生一系列的峰值。碰撞过程中随着接触力的改变，船航行速度也不断波动减小。

图 5 冰载荷及船速时历图 Fig. 5 Ice load history and ship velocity history

船撞冰过程中的能量主要来源于船体运动的动能，该能量在碰撞过程中将发生转化与耗散，在碰撞结束后，船舶初始动能主要转化为：

1）船舶的剩余动能；

2）冰体因受撞而获得的动能；

3）船体结构变形所吸收的的能量；

4）冰体破损吸收的能量；

5）计算过程中耗散的少量摩擦能及沙漏能^[9]。

如图6（a）和表4所示，船首结构的总吸能绝大部分是由舷侧外板、舷侧纵骨和横舱壁吸收，他们的吸能占到总吸能的89.3%。可见舷侧外板、舷侧纵骨和横舱壁是主要的吸能构件。

表 4(Tab. 4)

表 4 各结构吸能表 Tab. 4 The energy dissipation of different components 结构 能量吸收/MJ 百分比/% 外板 1.83 43.88 舷侧纵骨 1.06 25.42 横舱壁 0.83 19.91 平台 0.40 9.59 纵舱壁 0.03 0.72 柱子 0.01 0.24 甲板 0.01 0.24 总吸能 4.17 100

表 4 各结构吸能表 Tab.4 The energy dissipation of different components

为了提高舷侧结构的耐撞性能可以从改变舷侧外板、舷侧纵骨和横舱壁的厚度以及它们本身的材料上考虑。当然从最经济有效的措施考虑肯定是加强外板的性能，然而外板的面积很大，从图6（b）可看出，在涉冰带的碰撞区的外板吸能占总外板吸能的69.2%。所以最有效的加强方式为加固船首涉冰带的外板。

图 6 各结构能量吸收曲线 Fig. 6 The energy dissipation of different components

本文运用MSC.Dytran有限元软件，主要对船冰碰撞的材料属性、有限元建模和接触定义等关键技术问题进行碰撞特性研究和分析，得出船冰碰撞相关的耐 撞性能得出以下结论：

1）流固耦合方法及附连水质量法在本船型与层冰的作用中对碰撞力及能量吸收的影响不大，可以用附连水质量法计算此模型。

2）船与层冰碰撞过程中冰处于接触—挤压—破碎—无接触—再接触过程中，而碰撞力有很明显的加载—卸载现象，并且冰载荷的主要载荷方向为船行进方向。

3）船首结构的总吸能绝大部分是由舷侧外板、舷侧纵骨和横舱壁吸收，其中接触区域的碰撞外板吸能比例占到总外吸能的69%。所以要提高舷侧结构的耐撞性能可以从改变涉冰区外板厚度、结构及材料上着手。