艏部形状对船—冰碰撞性能的影响研究

摘要

渤海及黄海北部每年冬季都会出现大量海冰，其对海上船舶安全航行以及人员生命安全构成了严重威胁。冰情对海上航运业、渔业、石油开采业等活动造成了严重的破坏，给人们的经济带来了极大的损失。由于环渤海地区的冰情是季节性的，并且具有很强的随机性，因此在该区域航行的船舶一般均未采取破冰装置。因此研究不同形状船艏的破冰能力，对于在该区域航行的船舶具有一定的实际意义。
　　本文应用LS-DYNA有限元软件模拟不同船艏形状与冰排的碰撞场景，采用Lagrange格式中心差分算法计算了船—冰碰撞的大变形问题，探讨船艏形状的不同对船—冰碰撞过程的影响。
　　基于冰的各向同性弹性断裂模型，通过将该冰体材料模型在碰撞过程中计算得到的压强—面积曲线与ISO-ALIE推荐曲线以及实验数据进行比较，有效地验证了冰的材料模型和LS-DYNA软件分析方法的可行性，该材料模型可应用于船—冰碰撞的数值模拟计算。忽略船艏结构的损伤变形，研究了船艏形状的不同对其破冰能力的影响，分别以船艏的初速度和冰的厚度为变量，采用LS-DYNA非线性有限元软件对不同船艏形状与冰排碰撞问题展开数值模拟研究。分析比较了船艏的破冰距离、受到的冰载荷、动能变化量以及冰的变形能等，发现不同形状船艏在相同工况下其破冰距离、受到的冰载荷以及能量变化有显著的差异。最后考虑船艏的损伤变形，通过建立一个13000t级散装货船的简化球鼻艏模型，以外板的厚度、强构架的厚度、船艏的质量为变量，分别从碰撞损伤变形、能量变化、碰撞力与破冰距离等方面研究船—冰碰撞的动力响应，定性地得出上述因素对船—冰碰撞的影响。
　　本文的研究对于航行于季节性冰区的船舶具有一定的指导意义，为提高船舶抗冰载荷设计提供参考。