﻿ 浮冰与极地船舶抗冰结构碰撞研究
 舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (15): 26-31    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.15.006 PDF

Research on collision between ice floe and polar ship ice-resistant structure
WANG Lin, XIA Feng
School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang, Jiangsu 212003, China
Abstract: The article focuses on the bow structure, and based on the existing literature, carries out the relevant research on the crashworthiness of the bow ice-resistant structure under the action of ice load. The ANSYS software was used to build the bow and ice material model, and the selection of the material values and units in the software was discussed. Establish the finite element model of the ship bow impacting the ice sheet through LS-DYNA software, considering the impact position and speed of the ship and the ice sheet, and compare and study the damage deformation, energy conversion and collision force of the hull structure under various working conditions. The dynamic response of the ship, and finally get the law of the influence of the above factors on the bow structure.
Key words: ship bow     anti-icing structure     ship ice collision     floating ice
0 引　言

1 碰撞场景 1.1 船首有限元模型

 图 1 船首有限元模型 Fig. 1 Bow finite element mode

1.2 冰排有限元模型

 图 2 首部与冰排碰撞有限元模型 Fig. 2 The finite element model of the collision between the bow and the ice sheet
1.3 碰撞方案

2 冰排位置对船冰碰撞的影响

2.1 碰撞损伤变形

 图 3 三种工况下艏部外板损伤应变图 Fig. 3 Strain diagram of the bow outer plate under three working conditions

 图 4 三种工况下艏部外板损伤应力图 Fig. 4 Damage stress diagram of the bow outer plate under three working conditions

 图 5 三种工况下冰排损伤应力图 Fig. 5 Ice row damage stress diagram under three working conditions

1）船首以5 m/s的速度与1 m厚的冰排相撞时，船的受损情况并不严重，只有撞击区域有轻微损伤，因此可以考虑加强碰撞区域的结构，这样可以大大提高船舶的安全性。

2）冰排在受到船首的撞击之后，除了碰撞区域受到挤压破坏而被撞碎之外，碰撞中心区域还会被首部外板挤压而产生裂缝最终断裂分开成两块。

3）船首不同位置与冰排发生碰撞时，船首受到的损伤也不同，其中船的首柱因为有较强的强度，在与冰排碰撞时应变最小，而首柱两侧外板受到冰棱角的划伤受到擦伤。

4）球鼻首与冰排碰撞时对冰排造成明显的挤压破坏，而球鼻首上部倾斜斜面则会对冰排造成弯曲破坏。

2.2 能量转化

 图 6 碰撞过程能量-时间变化曲线 Fig. 6 Energy-time curve of collision process

3种工况下船的初速度和初始动能均相同，分析曲线的走势，可以发现工况A的动能减少比较均匀，符合船首部与冰排发生正面挤压碰撞的情形。工况B一开始与工况A曲线走向一致，因为工况B在接触碰撞的第一时间发生的碰撞与工况A相同，随后船首不光在与冰排的挤压过程中损伤动能，更使冰排向上倾斜，因此在发生挤压破坏到弯曲破坏的过程中，工况B的曲线下降的更快，随后发生弯曲破坏，动能减少的趋势又逐渐变平缓。工况C则是一开始发生弯曲破坏，因此动能减少较少，在船首柱与冰排碰撞后，发生挤压破坏，此时工况C曲线的斜率接近于工况A的曲线斜率。

2.3 碰撞力分析

 图 7 碰撞力-时间变化曲线 Fig. 7 Collision force - time curve

3 碰撞速度对船冰碰撞的影响

3.1 碰撞损伤变形

 图 8 三种工况下艏部外板损伤应力图 Fig. 8 Damage stress diagram of the bow outer plate under three working conditions
3.2 能量转化

 图 9 碰撞过程能量-时间变化曲线 Fig. 9 Energy-time curve of collision process

3.3 碰撞力分析

 图 10 碰撞力-时间曲线 Fig. 10 Collision force-time curve

4 结　语

1）船舶与冰排相碰撞，首部冰带线附近为碰撞集中区域，此时外板、首柱和水平隔板为主要抗冰载荷构件，因此加强这2种结构可以提高船舶的耐撞性能。

2）船首不同位置与冰排发生碰撞会造成不同的破坏形式，若碰撞区域位于球鼻首，则会发生挤压破坏，若碰撞区域介于球鼻首和首柱之间，则会发生弯曲破坏。2种破坏形式对船造成的结构损伤也不同，弯曲破坏造成的结构损伤要远远小于挤压破坏。

3）船速增加会使船首部受到的结构损伤增大，碰撞速度的平方与船的动能变化量呈正相关。弯曲破坏时，船速的大小对于碰撞力的影响较小；挤压破坏时，船速的大小对于碰撞力的影响较大。碰撞力的大小与速度大小存在正相关关系，速度越大，极值越大。

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