舰船科学技术  2024, Vol. 46 Issue (16): 17-22    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2024.16.003   PDF    
大型极地航行集装箱船船首结构局部优化分析
张健, 薛坚, 韩新欣     
江苏科技大学 船舶与海洋工程学院,江苏 镇江 212100
摘要: 为研究船舶船首结构结构优化方案,根据一条极地区域航行集装箱船数据,在有限元软件中对其进行1∶1精准建模,构建满足均化弹塑性的本构层冰模型。与本船的有限元模型进行数值模拟,研究碰撞过程的船首变形情况与结构吸能变化,随后对于不同工况进行结果对比分析,研究不同优化结构下船冰碰撞对船首部的影响。结果显示,优化后加了套板的船首受力与变形大小相较于原本船首减少许多,套板吸走了碰撞后的部分能量,使得碰撞区域产生的力小部分被套板承受,且使层冰破裂,使得后面船体部分与碎冰碰撞,船首受到的力变小,损伤与变形也就更小。研究发现套板厚度越厚、内部结构越多,其吸收的能量就越多,从而对于船首的保护就越好。
关键词: 船冰     结构优化     碰撞     集装箱船    
Local optimization analysis of bow structure of large polar container ships
ZHANG Jian, XUE Jian, HAN Xinxin     
School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212100, China
Abstract: In order to study the optimization scheme of the bow structure of the container ship, according to the ship sailing in a polar region, it is accurately modeled one-to-one in the finite element software, and the constituent layer ice model that meets the homogenization elastoplastic is constructed, and the numerical simulation is carried out with the finite element model of the ship, the bow deformation and structural energy absorption changes in the collision process are studied, and then the results are compared and analyzed under different working conditions to study the influence of ship ice collision on the bow under different optimized structures. The results show that the force and deformation size of the bow with the sleeve after optimization are much reduced compared with the original bow, and the sleeve absorbs part of the energy after the collision, so that the force generated in the collision area is borne by the covering, and the layer ice is broken, so that the hull part behind collides with the crushed ice, the force on the bow becomes smaller, and the damage and deformation are smaller. Studies have found that the thicker the sleeve and the more internal structure absorbs more energy, the better the protection of the bow.
Key words: ship and ice     structural optimization     collision     container ship    
0 引 言

近年来,随着全球变暖、海冰消融加上人类对开采极地资源的欲望愈加迫切。针对船舶极地航行环境与航行需求,人们对极地冰区船舶结构研究也受极地区域的不同冰载荷而研究的越来越深入。因此,构建更好且更适用于冰区航行的结构形式,并通过软件模拟得到其在航行时拥有更好性能,对于极地船舶资源的采集以及航行安全保障都具有重要的意义。

船舶在极地航行时,通常会在航行遇到海面层冰,无论是运用连续式破冰还是冲撞式破冰,船舶的首部都会受到冲击载荷的影响,长久以后会对船舶的船首造成损伤,甚至是破坏,进而会影响全船。

有限元法是研究结构物与冰碰撞的常用方法,通过构建有限元模型来模拟碰撞过程,得到层冰的破坏变形方式与冰载荷等结果。目前,国内外已有很多学者针对船首进行结构优化分析,吴丽[1]提出对船舶首部冰带区进行加强,通过对冰带区域的算法、设计变量等去考虑船首结构优化形式,调整整体内外部尺寸进行对冰带区域的结构优化;夏峰[2]通过增加水平隔板与骨架的厚度来减少船首损伤与变形,研究不用结构厚度的增减对船首结构受力的影响;刘少峰[3]通过在船首增加冰刀结构研究增加冰刀结构后与冰碰撞下的船首损伤情况与应变,得到船首在加装冰刀后能改善船舶首部变形大小;陈乐昆等[4]通过优化大型集装箱船LNG燃料罐鞍座结构与传统分析对比得出通过趾端形式更为合理,可以有效缓解鞍座结构应力集中现象,提升使用寿命;罗文平等[5]通过人工蜂群算法与有限元算法得出在总纵强度计算下有限元算法比规范法在设定条件下更充分;俞东旭等[6] 针对双体船的推进方式、操作方式与机舱及舵机舱的布局方式进行优化,使其变得合理性,并对其首部抗扭箱的外形进行改进,已达到减轻海上作业时涌浪抨击对船体的伤害;Kwon等 [7]针对 LNG 船与海冰间的相互作用,对极地船舶的结构强度进行研究;Zhou [8]运用针对船舶整体全局优化算法对9个设计变量进行优化研究,设置优化目标为建造成本最低;Lee等 [9]利用遗传算法对结构中的剖面进行优化,设置的优化目标为建造成本最低;Jang等 [10] 解决了多目标同时优化的问题。

本文研究当北极区域层冰较薄时,有一定破冰能力的船舶的船首结构优化设计,增强其破冰能力。

本文利用LS-DYNA软件,构建层冰与极地区域航行船舶碰撞的有限元模型进行数值模拟,具体碰撞范围为船首,将通过结构优化后的数值模拟得到的数据与原船首数据进行对比,验证本文新型结构优化设计的优点与特点,同时分析新型结构优化特点对船首的影响。

1 有限元模型的构建 1.1 船首结构有限元模型

本文采用有限元软件LS-DYNA进行层冰-船首碰撞的数值模拟研究。数值模拟构建极地船舶模型,模型参考有关图纸与一些文献,主要由主船体与内部构件2个部分构成,主要碰撞区域尺寸参数见表1。平台网格划分采用尺寸0.3 m×0.3 m的单元网格,材料采用LS-DYNA中的*MAT-003 PLASTIC-KINEMATIC,材料参数见表2。考虑到实际情况,碰撞位置在船舶航行作业吃水线平面处,层冰与船首发生碰撞。船舶整体结构及立柱细部结构有限元模型见图1

表 1 船首各结构尺寸 Tab.1 Dimensions of each structure in the bow

表 2 船舶材料参数 Tab.2 Ship material parameters

图 1 极地航行船舶有限元模型 Fig. 1 Finite element model of polar navigation vessels
1.2 钢材料与海冰单元本构模型

为确保碰撞过程符合实际规律,采取Cowper-Symonds本构模型,如下式:

$ {\sigma _{yd}} = \left[ {1 + {{\left( {\frac{{\dot \varepsilon }}{C}} \right)}^{\frac{1}{P}}}} \right]\left( {{\sigma _s} + \beta {E_p}\varepsilon _p^{eff}} \right)。$ (1)

相对其他本构模型而言,Cowper-Symonds提出的本构模型比较简单,且此模型常被用于屈曲、强度、震动问题以及爆炸问题的研究。故本文选取Cowper-Symonds本构模型作为研究不同温度下,船冰碰撞问题中钢材料的基本模型。

海冰单元本构模型选择Hilding等提出的均化弹塑性本构模型,应力-应变曲线如图2所示。

图 2 均化弹塑性本构模型 Fig. 2 Homogenized elastoplastic constitutive model

在裂纹萌生之前应力应变满足线性关系。应力达到屈服点$ {\delta _Y} $时,达到裂纹生成条件,冰体单元开始软化。这段模拟的是冰体单元出现裂纹,使得冰体材料损伤软化的过程,过程为线性软化。软化过程的加载和卸载也为线性,但整个过程不可逆,表示裂纹的累积性。当冰体单元应变达到$ {\varepsilon _{cr}} $时,海冰单元发生完全碎裂破坏,此时应力为破碎应力$ {\delta _{cr}} $,冰体的应力维持这个大小,应变在外载荷下随意变形。当达到失效应变$ {\varepsilon _f} $,冰体单元完全失效,然后被删除。

1.3 数值模拟设置

首先给层冰除去被撞面的四周设置约束以防止其被船首撞倒后移动,设为0.5 m厚;其次给予船舶后部除X方向上约束以防止撞击后由于相互作用力而往后部移动。设置船首以2 m/s的恒定速度撞击层冰,数值模拟时间设为6 s。

在船-冰碰撞问题中,必须保证计算结果的准确性,但是所有网格精细画会增加计算工作量。由于船冰碰撞的明显位置,该问题应分为碰撞区域和非碰撞区域的不同单元。碰撞区域应划分为精细单元以提高计算精度,而非碰撞区域应划分为渐近单元以提高计算效率。碰撞区域的单元尺寸主要由船-冰碰撞模型确定,层冰具体模型见图3,图中网格较密处为碰撞区域,其他网格均为非碰撞区。

图 3 层冰具体模型 Fig. 3 Layered ice concrete model
1.4 套板模型

结构优化后的模型带有船首套板,初始厚度为20 mm,如图4所示;套板具体施加图(放大)如图5所示,套板内部结构图如图6所示。

图 4 船首套板组合有限元模型 Fig. 4 Bow sleeve plate combination finite element model

图 5 套板船首组合有限元模型图(放大) Fig. 5 Finite element model diagram of sleeved bow combination (enlarged)

图 6 套板内部结构有限元模型 Fig. 6 Finite element model of the internal structure of the sleeve

套板与船首焊接连接,整体垂直向下连接到球鼻艏,套板前端呈尖锐角度,可加强整体对层冰的破坏能力,将层冰撞为碎冰,减少其对船舶的损坏。

2 数值模拟分析 2.1 模型网格选取分析

对于针对船舶结构强度分析来说,网格大小的选取对于船首结构的结构强度可能会有较大影响,从而导致模型碰撞模拟结果误差较大。因此,分别选取100 mm×100 mm、200 mm×200 mm、300 mm×300 mm的网格大小进行收敛性研究,从而选取最合适本文的网格大小进行分析。

由于本船碰撞模型偏大,如果采用全船进行网格收敛性分析会导致过度浪费计算资源,计算量非常大,且本文只研究碰撞过程中且船首区域碰撞性能,借此本章节只针对碰撞区域及船首进行收敛性分析。

综上所述,船首有限元模型如图7所示。

图 7 船首数值仿真模型 Fig. 7 Numerical simulation model of the bow

分别对上述3种不同网格大小的局部模型进行数值模拟,对比其计算需要占用的资源与计算结果数据对比等来进行筛选,计算结果如图8所示。

图 8 船首数值仿真结果 Fig. 8 Numerical simulation results of the bow

首先,针对计算结果数据进行对比发现100 mm×100 mm与300 mm×300 mm网格模型随着计算时间的推进应力与变形变化幅度较大,而200 mm×200 mm模型对碰撞而产生得到应力与变形变化幅度较小。为了能够验证优化后的结构拥有更好性能,所以选取100 mm×100 mm与300 mm×300 mm的模型;但是100 mm×100 mm网格偏小,容易会因为网格过小不利于计算、计算时间相对于其他两类网格比较久等问题,而且需要将全船模型进行统一尺寸,为节省资源,特选取300 mm×300 mm网格模型。

2.2 选取速度分析

本节使用有限元软件LS-DYNA对传极地航行船舶船首与冰数值仿真研究,考虑速度为0.5、1.0、2.0 m/s不同工况在仿真破冰于第8 m时的船首损伤应力云图(0.5 m/s工况为碰撞第16 s,1 m/s工况为碰撞第8 s,2 m/s工况为碰撞第4 s),具体如图9所示。

图 9 船首数值仿真结果 Fig. 9 Numerical simulation results of the bow

首先,针对计算结果数据进行对比发现速度为2 m/s时在同样位置时候受力与变形最大,用于对比能够更好看出优化效果,且相较于其他2个工况2 m/s下的工况能够对计算资源利用更有效率,所以本文后续所有工况皆选取速度为2 m/s。

2.3 结构优化前碰撞数据分析

作为结构优化数据对比,本文针对结构碰撞过程中与碰撞后的应力大小与变形大小,因为LS-DYNA中变形属于无量纲参数,在最后会以图片形式与优化后结构数据进行对比展现。

由于碰撞过程为6 s,所以选定2 s为一个节点进行对比。图10为原始船首的碰撞数据。

图 10 优化前船首应力图 Fig. 10 Bow stress diagran before the optimization
2.4 结构优化后的碰撞数据分析

图11整体为有套板优化后的船首(图中模型应力只含船首全部模型不含套板,套板后续单独列出,套板默认厚度为20 mm)碰撞数据。

图 11 优化后船首应力图 Fig. 11 Bow stress diagran ofter the optimization

为了更好地对比初始碰撞数据,将两类应力变化与变形对比数据绘制于同一张图中进行对比,如图12图13所示。

图 12 2种船首结构应力随时间的变化 Fig. 12 Variation of stress over time of two bow structures

图 13 2种结构变形随时间的变化 Fig. 13 Deformation of two structures over time

通过图中数据对比可知,显示在碰撞过程中,通过加装套板后的的船首受到的力更小并且整个碰撞过程几乎没有变形,及证明加装套板对船首保护更好;加装套板后的船首对层冰的破坏能力增强,而被破碎后的层冰对船首影响大幅减小,从而对船首有更好保护。

3 不同结构形式下数据对比分析 3.1 不同厚度下结构数据对比分析

基于各类文献可知,厚度对于应力变化有非常大的影响,特选取3种不同厚度分别为20 mm(初始套板厚度)、25 mm与30 mm来做对比,研究厚度对于套板及船首保护效果。数值模拟得到的应力图与变形图曲线见图14图15

图 14 不同厚度应力图 Fig. 14 Stress plot of different thicknesses

图 15 不同厚度变形图 Fig. 15 Deformation diagram of different thicknesses

由上述计算结果可知,船首变形大小的峰值均随着套板厚度增大而减小,但是船首结构受力却是套板厚度为25 mm时受力较其他厚度表现平稳。这是因为套板厚度越大的时候,在船首与层冰碰撞过程中越容易将层冰撞裂或撞成碎冰,那么此时与套板碰撞后的冰对于船首威胁就更小,至此套板的厚度越大对于船首的保护越好;而本文套板与层冰碰撞结束的时间节点为3.5 s,所选船首所有结构厚度为25 mm,如图15所示,套板的厚度选取与船首本身厚度一致在撞击过程中会有更好效果。

3.2 不同结构形式下数据对比分析

为了研究内部构件的加强对船首保护情况,以及内部构件的选取是否同时可以有效分担套板所承担的应力,从而对船舶有更好的保护。为了研究其套板实用性,研究其不同内部形式下对数值结果的影响很有必要,保持其余设置与上述一致,通过对内部构件的改变所呈现的应力与变形变化如图16图17所示。

图 16 不同内部结构下船首应力图 Fig. 16 Bow stress diagram under different internal structures

图 17 不同内部结构下船首变形图 Fig. 17 Bow deformation diagram under different internal structures

选取3种内部结构形式进行对比,分别为无内部结构、一层平台与一道内部垂向T型材。

由上述计算结果可知,2种对套板内部加强方案对于保护整个船首有非常好的表现,都减少了船首碰撞后的变形大小,但是由于2种结构的形式不同,对于船首的保护作用效果不同;加装一道内部平台可以大幅减少层冰与套板碰撞的瞬间减少船首受到的应力大小,吸走大部分能量,但是对层冰的破坏能力不如加装垂向T型材,对后续船首本身与层冰碰撞没有较好的帮助;而加装垂向T型材后的套板在破坏层冰上表现优异,使得层冰对于船首的威胁明显减弱,更有助于保护船首结构安全。

4 结 语

1)对比进行结构优化后的船首与初始的船首和层冰碰撞后所得数据,发现优化后的船首结构可以使得层冰更容易破坏,大幅减少了层冰对于船首的破坏,加装套板可使船首所受应力减少25%~60%,大幅度阻止船首变形的发生。

2)通过数值模拟得到套板的厚度越大,发现船首变形就越小且越平稳,套板厚度越接近船首厚度破冰能力就越稳定。

3)通过研究套板内部结构的改变对船首的保护能力发现加装内部结构后的套板会对船首有更好的保护,减少船首的变形大小,但是他们作用效果有所区别,加装平台会使得碰撞过程中套板吸收更多能量,而加装垂向t型材则是在碰撞过程中对于层冰有更强的破坏能力,使得其层冰较原本无内部结构更容易变为碎冰,对船首威胁就大幅减少。

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