船-冰碰撞中考虑温度影响的冰体材料本构模型研究

近年来随着全球气候变暖加剧,海冰消融速度加快,北极航道的全面开通成为可能。北极地区环境恶劣,即使在夏季浮冰和冰山也广泛存在,对极地船舶结构安全性产生了严重的威胁,船-冰碰撞问题也越来越受到国内外学者的关注。但是,由于海冰材料复杂的物理和力学特性,目前对海冰以及冰载荷的研究仍然面临诸多困难,其中对其本构关系的合理准确描述一直是影响相关问题计算分析的关键因素。本文结合国内外海冰实验数据,考虑温度的影响,建立了基于多曲面屈服准则的海冰材料本构模型,通过二次开发编写材料本构子程序并嵌入有限元软件LS-DYNA材料模型中。以此为基础,建立典型工况船-冰碰撞场景,分析了船体结构与冰体结构的损伤变形特点。本文研究成果可为极地船舶的结构设计制造与安全性评估提供参考。

船-冰碰撞载荷时间历程的模型试验研究

船-冰碰撞载荷是极地船舶船体外板结构强度的设计载荷,但目前的极地船级规范中尚未涉及船-冰碰撞载荷的时变特征。以我国新一代极地科考船为原型开展室内冰水池物理模型试验,对船首与浮冰的碰撞过程进行模拟;试验测试以主拖车拖曳船模撞击浮冰的方式进行,碰撞过程中船体所受冰载荷由布置在船首表面的触觉传感器测得。试验发现:船-冰碰撞过程中的整体冰载荷沿船体外板的作用呈现出近抛物线的轨迹,同时,载荷经历了先上升、后下降的完整过程,最大载荷作用时刻出现在冰体最大下压弯曲变形时刻;此外,最大载荷出现的水平位置集中在1/4船宽附近,相应局部碰撞载荷的时程曲线特征以‘单峰’型形态为主。

船-冰碰撞的模型试验方法研究

为揭示船-冰碰撞过程中冰载荷的时空演变历程,对模型试验方法进行探索和研究。在对船-冰碰撞过程与相关规范技术背景进行分析的基础上采用触觉式压力传感系统,实现了对船-冰碰撞载荷的辨识、整体作用轨迹的勾勒,及载荷局部空间分布与时间历程特征的提取。然后通过对试验参数的逐级率定,形成了完备的船-冰碰撞模型试验方法。试验数据表明,在船-冰碰撞的冰水池模拟中,宜采用船体固定拖曳撞击自由漂浮冰体的模拟方式,撞击位置宜设定在船体的首柱附近区域,浮冰质量至少为1.5倍的船体排水量,浮冰边缘角度以90°为宜。论文提出的局部载荷空间分布与时间历程特征的测试与提取方法可为今后船-冰碰撞载荷时空演变规律的深入认识提供参考。

基于模型试验的船-冰碰撞载荷空间分布演变历程研究

针对船-冰碰撞载荷空间分布的演变历程,通过一系列的冰水池模型试验,分别从"整体"与"局部"的角度,对船-冰碰撞载荷沿船体表面的空间移动轨迹,及局部冰压力空间分布形态随时间的变化过程进行了研究。结果表明:船-冰碰撞过程中的冰载荷沿船体外板的整体作用呈现出近抛物线的轨迹;同时,冰压力的局部空间分布也呈现出与冰载荷时程曲线中"峰-谷"循环波动特征相对应的"单-双"高压力区周期性的动态演变过程,极端冰载荷只存在于"单高压力区"型的局部空间分布形态下。基于多个载荷板对船-冰接触轨迹进行覆盖的理念,提出一种移动冰载荷的构建方法。相邻载荷板之间的载荷时程存在重叠以更好地模拟载荷的空间"移动",而各载荷板上的非均布冰压力则通过高斯函数进行拟合。

艉部先行模式下的船-冰碰撞载荷模型试验研究

双向航行极地船舶带来了艉部先行的全新冰区航行模式,然而现行冰级规范中针对艉部区域的设计冰载荷及结构加强水平仍存在着较大的分歧。以我国双向破冰极地科考船雪龙2号为原型开展冰水池物理模型试验,对艉部先行模式下船尾与巨型浮冰的碰撞进行模拟。在碰撞过程中船体冰载荷由粘贴在船尾表面的触觉传感器测得。通过艉部碰撞载荷测试数据,建立了以船体区域因子为基础的艉部区设计载荷评估依据。通过对不同超越概率下艉部区域因子的考察,最终推荐IACS或DNV的建议值,用于双向航行极地船舶的艉部区结构强度设计。针对不同冰级规范艉部区域因子取值的差异,通过讨论设计极限状态与冰条件之间的对应,指出区域因子与极限状态的潜在关联。

船-冰碰撞载荷下3种舷侧结构耐撞性分析

为探究船-冰碰撞载荷下横骨架式和纵骨架式2种船体结构的耐撞性能,利用MSC/PATRAN软件建立油船及冰体有限元模型,运用非线性有限元软件Dytran对船中舷侧结构与冰体棱角发生碰撞进行仿真。通过2种舷侧结构的船体与冰体碰撞,对比不同船体结构的损伤变形、碰撞力和能量吸收的差异,探究各种船体结构的优劣性。利用不同船体结构的优劣性能对现有的2种船体舷侧结构进行改进,合理布置横骨材、纵骨材的数量及尺度,在船舶总质量改变不大的前提下,采用优化混合骨架设计结构方法提高舷侧结构的耐撞性能。计算结果表明,该方案对冰区船舶结构加强具有重要的参考意义,可为提高冰区船舶耐撞性设计提供建议。

船-冰碰撞下冰材料有限元数值方法研究进展

浮冰碰撞下极地船舶结构响应研究是当今的热点话题。由于冰体是一种包含着固体冰、卤水、气体以及杂质等较为复杂的天然复合材料,其力学性质受盐分、杂质等成分含量,以及温度、应变率和形成年份等因素影响较大,开发准确有效的冰体材料本构模型以及有限元数值模拟方法是船-冰相互作用研究的关键难点问题。本文总结了几种常见的冰体有限元数值材料模型,如各向同性弹性失效材料模型、弹塑性材料模型、损伤材料模型以及可压碎泡沫型材料模型等;此外,选取了三种模型实验工况,开展了与实验场景相对应的不同冰材料模型下有限元数值模拟,对比分析了各自冰材料模型的特点以及应用局限;最后,总结了用于船-冰碰撞数值模拟的冰材料模型准确性和可行性评估方法,以便给今后所开发的冰材料数值模型提供验证手段。

基于幂律分布的浮冰生成方法及船-冰碰撞分析

随着北极冰川的不断融化扩散,极地航行船舶与浮冰的碰撞不可避免,而浮冰分布变化是影响船-冰碰撞的重要因素之一。目前对于浮冰分布的研究多是基于图像数据识别,在模拟计算中多简化为规则方形冰块,这与实际浮冰分布与形状有着明显区别。为此,基于幂律分布理论与浮冰形状特征在ANSYS/LS-DYNA软件中编写子程序生成浮冰场,以此为基础,基于环境边界的流-固耦合法,建立极地航行船舶、浮冰场与流场耦合模型,解决船舶与浮冰漂浮问题,进而开展船-冰碰撞数值仿真计算,得到碰撞过程中浮冰的运动情况、船-冰碰撞载荷、船体损伤变形及各构件的吸能等参数,全面分析了船舶与浮冰多次、连续碰撞过程中的耦合作用规律。本文研究成果可为极地航行船舶安全性设计提供参考。

考虑船外板附着冰情况下的船冰碰撞累计损伤研究

采用数值模拟方法对极地商船与大块区域碎冰碰撞产生的冰载荷累计损伤展开研究,利用元胞自动机随机生成区域碎冰,研究考虑船外板附着冰影响下的船冰碰撞的动态响应。结果表明,在考虑船外板附着冰的情况下,船外板的塑性应变与吸收能量都大幅降低,碰撞力峰值没有太大的改变,但对碰撞力的冲量大幅减少。船舶在北极航行时对于结构强度而言船外板附着冰,对船冰碰撞的累计损伤有利。

船首-冰层碰撞下的船体结构变形及损伤模式演化

基于非线性有限元方法模拟船首-冰层碰撞动态过程,从船体结构吸能、应力场分布、结构变形和损伤演化等角度研究不同碰撞场景下的船-冰相互作用响应特征,总结得到碰撞角度、碰撞部位和冰层厚度等因素对船首结构吸能、结构变形和损伤模式演化的影响机理。研究结果表明:在船-冰碰撞过程中,船体外板先发生变形,随后靠前的纵骨面板和腹板倾覆、断裂;随着撞击的深入,肋板倾覆,外板剧烈弯曲甚至损伤,外板为主要的吸能构件,甲板纵骨和甲板纵桁吸能最少。

冰-水耦合作用下船舶与浮冰碰撞动响应数值仿真研究

船舶在碎冰区航行时会受到浮冰的碰撞,为了准确模拟浮冰碰撞载荷作用下的船体局部结构承载特征,应当考虑碰撞过程冰-水耦合作用的影响。本文采用瞬态动力学分析程序MSC.Dytran对某水面舰船在碎冰区航行时受浮冰碰撞的动态过程进行数值仿真,得到了受浮冰碰撞下的船体结构响应、碰撞载荷及碰撞过程中的能量转化特征,对浮冰尺度、碰撞位置、舰船航速对船体结构响应及碰撞载荷的影响进行了分析并给出了相应的结论。本文研究工作对于碎冰区航行舰船的载荷确定及结构设计具有重要的参考价值。

基于非线性有限元法的船舶-冰层碰撞结构响应研究

采用非线性有限元法建立船舶与冰层的三维有限元模型,对船-冰碰撞进行了数值模拟。研究了船舶在不同速度下与不同厚度冰层碰撞的动态结构响应,分析了碰撞冰力的大小、船艏结构的变形损伤和能量变化等特性。得到了船舶初速度、冰层厚度等因素对船-冰碰撞载荷的影响,对分析船舶与冰体碰撞的结构性能具有参考价值。

航海模拟器中破冰船破冰阻力数值计算

为研究破冰船在平整冰区所做的直航连续式破冰作业,本文通过非线性显式的有限元方法,模拟了“雪龙2号”科考船在平整冰中的连续破冰过程,分析了船体所受碰撞力特性以及能量变化,并利用破冰船Terry Fox号船模水池试验与“雪龙2号”无量纲化冰阻力系数的数值计算结果对比,证明了本文数值计算的可靠性;本文数值计算结果与经验公式进行对比分析,误差在20%之内,进一步验证了本文数值模拟的正确性;利用“雪龙2号”简化后的楔形体模型,本文研究了船体不同速度、不同破冰角度以及平整冰厚度时船-冰碰撞的响应特性,定性分析了不同工况下的船-冰碰撞过程中船舶受到的碰撞力、能量损耗等规律。同时,利用简化模型楔形体对船舶破冰阻力的参数敏感度进行研究,有利于获得破冰阻力随多参数变化的规律,将在不同工况下得到的破冰阻力平均值利用矩形域最小二乘法曲面拟合出破冰阻力公式。建立适用于运动数学模型实时解算的破冰阻力离线数据库,利用插值方法实时获得冰阻力,为冰区航海模拟器船舶运动数学模型中的冰阻力计算提供一定参考。

基于船-水-冰耦合技术的撞击参数对船冰碰撞性能的影响

以极地运输船舶的首部作为研究对象,建立基于流固耦合算法的船-水-冰耦合技术对三维船首与冰体碰撞的结构响应问题进行研究,成功解决了船体、冰体与流场、船体与冰体之间的耦合,考虑了碰撞过程中船体与冰体的同步损伤,并结合非线性有限元软件Ls-dyna对比分析了冰体质量、船冰碰撞角度等撞击参数的结构响应问题,分析了不同碰撞工况下船舶撞击冰体后损伤变形、碰撞力等方面的变化特征,对分析船舶与冰体碰撞的结构性能具有参考价值。

船舶与冰排碰撞结构响应研究

分别建立了船舶和冰排的有限元模型,采用LS-DYNA进行了碰撞接触计算,模拟了船首与冰排发生碰撞。主要考虑相同条件下分别改变冰排厚度、运动状态等单个碰撞参数,对比研究了不同碰撞工况下船舶的损伤变形、碰撞力等结构响应差异。得出了上述因素对船-冰碰撞的影响规律,为提高船舶抗冰载荷设计提供参考。

油船极地航行与浮冰碰撞动响应特性研究

本文采用数值仿真方法研究某PC4级油船在极地碎冰区航行时船首与浮冰发生碰撞时的动响应特性,考虑碰撞引起的冰-水耦合作用,分析浮冰形状及碰撞位置对船体结构响应、船-冰碰撞力特性的影响,研究不同碰撞工况下船体外板的应力分布和冰体破损特征,对油船极地冰区航行操作规程的制定及抗冰结构设计具有指导作用。

水介质对船冰碰撞结构响应的影响

以极地运输船的艏部作为研究对象,建立基于流固耦合算法的船-水-冰耦合技术,对三维船首与冰体碰撞的结构响应进行研究,结合非线性有限元软件LS-DYNA对比分析考虑流固耦合(即有水介质)的船-水-冰碰撞模型和不考虑流固耦合(即无水介质)的船-冰碰撞模型与同质量不同速度的冰体发生碰撞下的结构响应,揭示不同碰撞工况下船舶在损伤变形、碰撞力、速度等方面的变化特征及差异,同时阐述水介质在船冰碰撞中的作用,可为极地运输船舶的抗冲击结构设计提供参考。

基于非线性有限元法的冰区玻璃钢实验船碰撞性能研究

采用有限元软件ANSYS建立了冰区玻璃钢船舶与冰排的模型,设置碰撞参数与材料属性,利用LS-DYNA进行船-冰碰撞的非线性有限元计算,并分析碰撞结果。主要研究两个碰撞因素的影响:首先是玻璃钢的铺层角度,即[-45/45/-45/45/-45]和[90/0/90/0/90]这两种典型铺层方向下的玻璃钢船与浮冰碰撞的动态响应过程,得到船艏碰撞点应力曲线图以及船舶和冰排能量变化曲线,对比不同碰撞结果;其次是碰撞速度,在不同速度下玻璃钢船与冰的碰撞,得到玻璃钢船外板碰撞处的应力曲线和冰排应力分布云图,并进行了力学分析。

浮冰碰撞载荷作用下船体板结构动力响应研究

开展了船体板与浮冰碰撞的有限元仿真研究,分析了浮冰碰撞载荷作用下船体板的结构动态响应.采用水平冲击试验机开展了船体板-冰碰撞实验,验证了数值仿真模型的有效性.在此基础上,研究了船体板-浮冰碰撞参数对结构动态响应与塑性变形的影响规律.结果表明,随着板厚的增加,量纲一的量最大挠度值和量纲一的量永久挠度值相应的减小;楔形冰的质量越大,船体板的量纲一的量最大挠度值越大;船体板的最大变形随着冰的撞击速度的增加是呈线性增长.

船舶抗冰碰撞舷侧结构加强方案及优化设计

本文介绍了船-冰碰撞数值仿真中涉及的关键技术,以船舶肩部舷侧区域与棱角冰发生碰撞作为计算工况,对所选船舶舷侧与冰体碰撞进行数值仿真,根据舷侧响应特征指出其进行结构加强的必要性。由此提出几种舷侧常规加强方案,通过分析各自与冰体接触区域船体外板上受到的平均应力以及碰撞过程中船体结构发生塑性破坏的程度,指出结构仍然存在的问题以及后续加强的方向。最后,设计了2种新型舷侧结构并对其进行优化,验证了其具有较优的抗冰碰撞性能,得到了抗冰碰撞舷侧结构设计的相关结论。