2022, Vol. 44
随着全球气候变暖，冰山消融，以及北极丰富的自然资源和优越的战略位置，北极航道的开发成为航运业的热点。北极航道[1]是太平洋与大西洋之间最短的贸易路线，由于其突出的成本效益、战略地理位置和高贸易量，因此成为世界关注的焦点。尤其是试航“东北航道”和“西北航道”获得成功，使得北极航道全年通航可行性大幅提高。
了解普通的极地运输船与冰层碰撞时的结构损伤情况对于船舶在冰区行驶时改装和冰区抗冰结构的设计工作具有重要意义。张健等[2-3]通过非线性有限元法模拟了船-冰碰撞过程中的数值仿真，研究了不同工况下船舶球鼻首与冰体碰撞的动态结构响应过程。
1 碰撞场景 1.1 船首有限元模型本文使用16 000 DWT集装箱货轮船首模型作为研究对象，船舶材料使用EH32低温钢，材料参数设置见表1。
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图 1 船首有限元模型 Fig. 1 Bow finite element mode |
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表 1 低温船用钢材EH32参数 Tab.1 Parameters of EH32 shell |
海冰形成于高纬度海域低温气象条件下，其形成过程受到温度、海上盐度和波浪的影响，结构复杂。采用各向同性弹性断裂失效模型来建立冰的材料模型和本构关系，材料参数见表2。
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表 2 冰材料模型参数 Tab.2 Ice model characteristics |
本文中船首宽度为40 m，为了保证实验的精准性，建立的冰排模型宽度为80 m，通过查阅文献和验证仿真结果，该宽度合理。船首速度为5 m/s，碰撞时间为2 s。为了使计算更有效率，冰排的网格划分为3个不同的区域，分别是碰撞区、过渡区和远端区，同时网格的疏密程度也随之递减。碰撞区域的网格大小设置为0.5 m。船首部与冰排碰撞有限元模型如图2所示。考虑到是以漂浮的冰排为被碰撞对象，且能让船与冰排发生有效碰撞，因此使冰排两端固定，而冰排在船舶碰撞方向则无约束。
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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 |
根据CCS船级社发布的《钢制海船入级规范》[4]中对于冰区航行时可能遇到的最厚冰层，冰层厚度选择1 m。根据冰区推荐的最大航行速度为18 kn，船舶行驶速度选择5 m/s。船首的计算时间选定为2 s。
方案1：从船与冰排碰撞位置入手，根据船在满载和空载时不同的吃水，船与冰排碰撞的位置也不同，据此设计了3种工况。工况A、工况B、工况C分别为船在空载、半载和满载情况下与冰排碰撞。除了位置不同，其余条件均相同，碰撞时间为2 s，船速为5 m/s，冰排厚度为1 m，冰排两端固定，碰撞方向自由无约束。
方案2：从船的速度入手，船在不同的航行速度下，与冰排碰撞时的损伤也不同，据此设计了3种工况。工况A、工况B、工况C分别为船速以5 m/s，6 m/s，7 m/s的速度与冰排相撞。除了撞击速度不同，其余情况均相同，撞击位置位于船高13 m处，碰撞时间为2 s，冰排厚度为1 m，冰排两端固定，碰撞方向自由无约束。
2 冰排位置对船冰碰撞的影响考虑到本文将16 000 DWT集装箱货轮作为研究对象，查阅资料可以得到该船在空载和满载时吃水深度分别为9.2 m和12.8 m。船舶在装载不同质量的货物情况下与冰排碰撞的位置不同，根据船舶不同载重时的不同吃水位置与冰排相碰撞，探究不同情况下船舶的受损情况。为了探究相同情况下不同碰撞位置的影响，保证船舶拥有相同的初始动能，因此假定3种工况船首的附加质量。
2.1 碰撞损伤变形方案1中3种工况下首部外板损伤变形图如图3所示，该图是利用LS-PREPOST后处理软件对计算结果进行处理。根据应变云图，可以了解各工况的损伤情况，工况A的最大塑性应变为2.600E-1,工况B的最大塑性应变为2.600E-1，工况C的最大塑性应变为6.621E-2，可以得知工况C船首结构仅发生变形，而工况B和工况A的船首发生了破损。从图中可以看到船与冰排的碰撞具有局部性，损伤只发生在碰撞区域，并无发生损伤扩散现象。
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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为首部外板损伤的应力云图。可以看到，工况C最大应力位于船首柱区域，工况A的损伤区域则要更广泛一些，这是因为工况B在碰撞过程中先对冰造成挤压破坏，由于球鼻首上部是倾斜的斜面，因此随着碰撞的加深，船对冰的破坏形式慢慢由挤压破坏变为弯曲破坏，具体情况可以观察冰的受损情况。
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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 |
重点研究船的受损情况，但也不可忽视海冰在其中的变化情况，将两者的研究结合在一起，可以更好分析碰撞过程并优化船的抗冰结构。图5是3种工况下冰排的损伤应力图。
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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 |
仔细观察冰排的受损情况，发现冰排在碰撞过程中，除了碰撞区域被撞出很明显的缺口外，碰撞中心处更是出现一条裂纹，因为本文冰排两端固定，因此冰排在受到船首撞击时，冰排的碰撞裂缝处被首部外板向两侧挤压，直至弯曲断裂分开，该结果也符合实验的预期结果。工况A和工况B、工况C之间最明显的不同则是工况A的冰排依然处于水平位置，而工况B和工况C的冰排在碰撞后则发生了向上倾斜的情况，这是因为工况A发生的完全是挤压破坏，而工况B和工况C则发生了一定程度上的弯曲破坏。通过LS-PREPODT的动态演示过程，发现工况B在碰撞发生时对冰排造成挤压破坏，随着碰撞继续进行，球鼻首上部的斜面使得冰排向上倾斜，此时船首开始对冰排造成弯曲破坏。工况C则是碰撞时球鼻首上部首先接触到冰排，但此时并未对冰排造成挤压破坏，冰排随着球鼻首上部的弯曲作用而中间断裂，直至碰撞到船的首柱，此时船首柱开始挤压破坏冰排，而冰排断裂区域的棱角最终与船首柱两边的外板接触，导致船首柱外板两侧受到轻微损伤，这一结论也与之前的分析结果一致。
总结首部与冰排碰撞的结构损伤图，通过比较分析，最后得出以下结论：
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为3种工况在碰撞过程中的能量随时间变化曲线。能量与时间变化曲线不仅可以反映出船在碰撞过程中的能量转换，也可以很清楚反映船的速度变化。船冰碰撞的动能来源于船初始速度，随后在碰撞过程中，有的转化为船和冰排的内能，有的转化为摩擦能和沙漏能，因此，研究船舶碰撞过程中能量的变化，可以进一步了解船冰碰撞过程中结构损伤的动态响应。
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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 碰撞力分析碰撞力也是碰撞过程中重要的研究内容之一，因为碰撞力的变化能清楚的反映碰撞的严重程度。在船舶结构不变的情况下，碰撞力越大，结构变形越大，那么结构失效也就越快。同时，对于不同结构的船舶，其所能承受的碰撞力极限越大，也就说明结构性能更加稳定，耐撞性能更好。因此，研究碰撞力曲线对于提高船舶结构的耐撞性能具有十分重要的指导意义。
观察图7碰撞力-时间变化曲线可以明显看出，在碰撞过程中，碰撞力呈现非线性形态，卸载现象反复出现，导致碰撞力曲线出现较大波动。进一步探究这种现象的原因，结合有限元模拟计算，不难发现，当2种结构在船首与海冰之间的碰撞过程中没有失效时，碰撞力会增加，相反，当2个结构中的任何一个被破坏而失效时，碰撞力会发生突然卸载的现象。随后，船继续破冰，新结构的碰撞使碰撞力再次增加，然后结构失效，碰撞力再次卸载。如此重复，则在反复的加载、卸载、加载的过程中会破坏船的结构。
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图 7 碰撞力-时间变化曲线 Fig. 7 Collision force - time curve |
具体分析，工况A和工况B的碰撞力在碰撞的第一时间不断增加，且曲线一致，因为二者处于同一结构。工况A在0.25 s和1.14 s附近分别达到2个明显极值，极值分别为4.7×107N和6×107N。工况B在一开始的碰撞过程中出现2次碰撞力极值，随后因为发生弯曲破坏而使碰撞力处于较低水平。工况C在一开始与冰排发生弯曲破坏，因此碰撞力较小，随后船首柱挤压冰排发生挤压破坏，导致碰撞力呈现反复现象。
3 碰撞速度对船冰碰撞的影响一般来说，船舶在不同水域航行时有不同的速度，而船以不同的速度与冰排相碰撞时的损伤也不相同，从碰撞时的速度着手，研究船以不同速度与冰排碰撞时的结构损伤情况。
3.1 碰撞损伤变形观察图8三种工况下的船首外板受损应力图，比较3种工况下船首部受损情况，可以发现随着船速的增加船体外板受到撞击的影响区域也就越大。在后处理软件LS-PREPOST中，得到3种工况的最大塑性应变，分别为工况A的最大塑性应变为6.621E-2，工况B的最大塑性应变为1.607E-1，工况C的最大塑性应变为1.986E-1，比较发现工况C的最大塑性应变值最大，工况B其次，工况A最小，因此船速的增大会使船的变形严重程度增大。
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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 |
图9为碰撞过程中能量的变化曲线图。可以发现，工况C的下降速度最快，其次是工况B，下降速度最小的是工况A。结合图像和表3的动能变化表，可以发现动能的变化量与船舶碰撞时的速度存在一定的关系，速度越大，动能的变化量也就越大，动能的变化量和船速的平方存在近似正比的关系；在碰撞过程中，变化的动能转变为物体的内能和其他的一些能量，而物体的内能导致船和冰发生了变形甚至是破损。工况C的内能变化量最大，这是因为工况C的船速最快，使得更多的动能转变为了船和冰的内能。
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图 9 碰撞过程能量-时间变化曲线 Fig. 9 Energy-time curve of collision process |
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表 3 不同船速下动能的变化 Tab.3 Changes in kinetic energy at different ship speeds |
图10为3种工况碰撞力随时间变化曲线，观察图像并结合软件分析碰撞过程，可以发现在碰撞初期，冰排与船球鼻首碰撞接触发生弯曲破坏时，3种工况的碰撞力图像基本一致，极值大小基本相同，极值出现的时候随速度的不同而不同。因此可以得出，弯曲破坏时，船速的大小对于碰撞力的影响较小。
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图 10 碰撞力-时间曲线 Fig. 10 Collision force-time curve |
随着碰撞继续进行，船首与冰体发生挤压破坏，此时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。因此，挤压破坏时，船速的大小对于碰撞力的影响较大。
4 结 语本文通过LS-DYNA软件分别从冰排碰撞位置和碰撞速度2个方面制定2种方案来模拟船舶碰撞的动态过程，通过对比分析，总结归纳船体结构的损伤变形、能量转化和碰撞力的规律，得出如下结论：
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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MUNSHI J . Trends in Polar Sea Ice Extent 1979-2015[J]. Social ence Electronic Publishing, 2015.
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| [2] |
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张健, 陈聪. 基于规范的冰区船舶肩部结构形式设计研究[J]. 舰船科学技术, 2015(9): 20-24. ZHANG Jian, CHEN Cong. Rule-based research on structural form of ship shoulder in ice area[J]. Ship Science and Technology, 2015(9): 20-24. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2015.09.004 |
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中国船级社. 《钢质海船入级规范》2018年 综合文本发布[J]. 船舶标准化工程师, 2018(4).
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