杨金超， 朱发新， 吴文锋， 卢金树， 王帅军， 杨朋朋， 张 敏

(1.浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院， 浙江 舟山316022； 2.舟山市敏瑞科技咨询有限公司， 浙江 舟山316022)



基于ANSYS/LS-DYNA的船冰碰撞数值分析

杨金超1， 朱发新1， 吴文锋1， 卢金树1， 王帅军1， 杨朋朋1， 张 敏2

(1.浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院， 浙江 舟山316022； 2.舟山市敏瑞科技咨询有限公司， 浙江 舟山316022)

在极地海域复杂环境下，船舶在长距离航行中一旦与冰山或大冰块发生碰撞，极短时间内会产生巨大的冲击载荷，可能造成非常严重的海上事故等。运用有限元分析法，借助有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对相关船舶球鼻艏与冰的碰撞情况进行数值分析，得到船舶球鼻艏结构的能量-时间关系曲线，以及碰撞力-时间关系曲线，并对各种碰撞参数所导致的结果进行定性的分析和讨论，得到不同初速度的船与冰碰撞以及不同吨位的船与冰碰撞对船舶球鼻艏破损情况的影响，对船冰碰撞领域的研究有一定的指导意义。

有限元分析；ANSYS/LS-DYNA；仿真；船冰碰撞

0 引言

随着全球不断变暖，人类对极地的开发也逐渐深入，在夏季极地航行已经成为现实。同时，随着航行船只的不断增加，船舶与海冰碰撞的可能性也随之增加。极地海域环境复杂，即使在夏季也有冰山或大冰块。船舶在长距离航行中，一旦与冰山或大冰块发生碰撞，有可能造成非常严重的海上事故。

通过数值仿真法和基于能量的分析法，BROWN等[1]和DALEY等[2]研究了静止船舶与一定速度的球形冰山的横向碰撞问题。在数值仿真法中，分别将冰山和船-冰接触面简化成球形和圆形，船被处理成垂直舷侧的情形。在能量分析法中，假定动能全部转化成冰的破碎能，在这个过程中，由于船和冰都存在着相对运动，故在碰撞过程中存在着较大的能量损失等问题与不足。

WANG等[3]基于Dytran软件，对LNG船与可压碎冰碰撞建模，进行非线性动态有限元分析，建立具有弹性和可塑性的LNG整船模型，同时建立一块可压碎并在一定条件下会发生材料失效的浮冰模型，由Dytran软件模拟出船舶与冰块碰撞发生的变形和失效形态以及接触面上的接触力。通过对LNG船的局部模型加载静态冰载荷，研究并分析船体结构的承载能力，但也存在船体结构中的不同构件有的会发生大塑性变形，有的会遭受失稳破坏等问题与不足[4-7]。

船舶与海冰碰撞是船冰结构在极短时间内受巨大冲击载荷作用下的一种复杂非线性动态响应过程，存在着大量的非线性问题，如接触非线性和运动非线性等。这些特点使船冰碰撞问题的研究变得相当复杂和困难，需要综合应用船舶水动力学、塑性力学、断裂力学和结构可靠性等方面的知识。如今，挪威、加拿大等国家对于船舶与海冰碰撞问题的研究在国际上处于领先地位，其研究方法大致分为4种：简化解析或经验公式，模型试验，数值仿真，实船事故调查，其中，模型试验更为实用。因此，开发冰区安全航行软件，要求该有限元软件能预测冰的负荷，可以通过直接的方式评估船舶能否在该冰区安全航行。设计不同的船舶速度，不同的冰厚度，漂移角度，横摇角度等碰撞模型，对各种情况下船壳的受力和变形情况进行分析，了解船舶球鼻艏结构在整个碰撞过程中受到的碰撞力、展现的吸能特性和损伤情况是很有必要的[8-12]。

1 ANSYS/LS-DYNA简介

有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。这种方法广泛应用于分析弹性力学碰撞等问题。

ANSYS/LS-DYNA是一种高度非线性动力学分析软件，是一个以显式为主、隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序，对于各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成形等非线性问题可以很好地求解。软件以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法。

2 有限元模型建立

2.1 相似准则

相似准则是基于参考模型和缩减比例模型在几何尺度方面保持相似, 且迎角相同，以及流场和碰撞过程中能量平衡也相似等作为指导船冰碰撞模拟试验时选取试验材料所需条件的理论依据。

2.2 边界参数设置

在船冰碰撞完成后，撞击的船舶船艏可能会发生较大的塑性变形。为了简化计算，减少CPU的运算时间，船舶单元以SHELL 163单元建模。该单元设为4节点的薄壳单元，同时具有弯曲和膜的特征，可以同时施加平面载荷和法向载荷。船的主要结构为钢板,在ANSYS/LS-DYNA中,选用的材料属性为塑性动态模型(Plastic Kinematic Model)，并考虑应变率效应(其参数设置见表1)。冰材料选用SOLID 164实体单元，该单元有8个节点构成，只用于动力显式分析，支持所有的非线性特性。对于冰材料的参数设置，根据挪威科技大学LIU等、韩国LEE等、美国WANG等人的研究成果(见文献[3-7])，参考相关论文定义冰体的材料模型(模型参数设置见表2)。

表1 塑性动态材料模型的参数设置

表2 冰体材料模型的参数设置

2.3 船艏三维实体模型建立

船冰碰撞是一个极其复杂的动态过程。若要按照船舶的实际图纸构造搭建模型，不仅会导致工作量剧增，而且在使用有限元模型计算时，将会导致计算规模超出计算机的内外存限制，最终使得计算失败。为了减轻工作量，并在满足一定工程精度的前提下，对船舶采用附加质量法。由于撞击部位为船艏，建立模型过程中，对船艏部分重点建立模型，而对于其他船体部位选用附加质量法。方法主要是通过补差值法(即船体总载重M1-船体模型M2)得到剩余船体的质量，在有限元中赋予剩余部分合理的密度，将其附加上去。该模型采用4面体型、金字塔型、棱柱型划分网格，选用SOLID95单元，划分精度为3级。在船艏的有限元模型中，共有6 374个节点、73 418个有限单元。船艏的有限元模型如图1所示。

图1 船艏模型

2.4 冰材料模型建立

本文参考挪威船级社(DNV)针对仿真计算所推荐的冰山形状，用立方体模拟冰山，正方体的侧表面用以模拟碰撞区为平面的冰体。立方体的边长是20m，如图2所示。

图2 冰体模型

3 船冰碰撞数值仿真

3.1 边界条件设定

在有限元方法中，网格的划分精度直接影响着计算的准确性，同时不均匀的网格划分极易导致产生沙漏(沙漏模态是指单点积分单元容易产生的零能模式，它是一种比结构全局响应高得多的频率振荡零能变形模式)。

通常来说，网格划分越细越密越小、节点越多、精度越高，计算的结果往往越接近于真实情况，但这样的网格划分会使计算机的计算时间大幅延长。为了得到较为准确的结果，需要综合考虑网格划分的精度以及计算机的计算时间。

对于球鼻艏直接参与碰撞的船体模型，球鼻艏部分网格需要划分密集，其次是船头部分，而对于直接不参与碰撞的附加船体部分网格划分较粗。对于冰的网格划分，根据计算精度和计算时间选用合适的网格大小进行划分，如图3所示。

图3 网格划分

3.2 数值仿真方案设计

在研究船舶的初速度对船冰碰撞结果的影响中，分别模拟同一吨位的船以不同速度以及不同吨位的船以同一速度进行碰撞的情况。在分析同一吨位的船以不同速度碰撞时模拟载重50 000t船舶分别以4m/s，6m/s和8m/s等3种速度与静止于水面的冰体相撞；然后根据船舶球鼻艏的损伤情况，分析船舶速度对船冰碰撞结果的影响。在分析不同吨位的船以同一速度碰撞时，分别模拟载重23 000t和载重50 000t船舶以8m/s初速度与静止于水面的冰体撞击；然后根据船舶球鼻艏的损伤情况，分析船舶吨位对船冰碰撞的结果。 如表3所示。

表3 船冰碰撞情景的设定

3.3 数值仿真结果分析

3.3.1 不同初速度船冰碰撞的影响

分别对表3中的4种情况进行模拟，保持其他求解条件均不变，当碰撞角度为90°时，载重50 000 t船舶在3种速度下碰撞力情况如图4所示。

图4 模型1、模型2和模型3不同速度下碰撞力变化

从图4中可知：50 000 t船舶分别以4 m/s，6 m/s和8 m/s的速度与冰体发生碰撞，船舶受到的碰撞力随着速度的增加而增大。由此可见当船舶吨位相同时，船舶以较大速度碰撞时所产生的碰撞力更大，并且随着速度的增加，碰撞力的变化幅度也越大。

表4是50 000 t船舶分别在碰撞速度为 4 m/s，6 m/s 和8 m/s 时，船体动能的变化情况。

表4 模型1、模型2和模型3不同速度时的动能变化

从表4中可以发现，动能的变化量随着速度的增大而增大。此时动能主要损失的形式为冰体的动能、船体的变形能、冰体破碎消耗的能量以及少量的摩擦能和沙漏能等。由于本文模拟的是船舶与冰山发生碰撞，且主要研究船舶球鼻艏碰撞的损伤情况，所以冰体的动能和破碎能可以忽略，主要分析船艏能量变化情况。图5是不同速度碰撞下，船舶(模型1、模型2、模型3，下同)内能的变化情况，从图5中可以明显看出，在高速相撞条件下，船体所损失的动能基本上转化为船舷侧结构的塑性变形能，并且随着碰撞时间的变长所转化的船舶内能越多，船舶球鼻艏变形量越大。所以速度越大，船舶球鼻艏碰撞损伤越严重。

图5 模型1、模型2和模型3不同速度下能量随时间的变化

3.3.2 不同吨位船冰碰撞的影响

载重50 000 t(模型3)船舶和载重23 000 t(模型4)船舶以8 m/s的速度撞击冰体所得到的碰撞力与时间的变化曲线，以及能量与时间的变化曲线分别如图6和图7所示。

图6 模型3和模型4碰撞力与时间变化曲线

图7 模型3和模型4能量与时间变化曲线

图7为50 000 t船舶与23 000 t船舶的能量变化情况，船舶吨位越大船舶动能越大，与冰发生碰撞后船舶的变形能越多。所以在相同的速度下，大吨位船与冰山发生碰撞损伤程度比小吨位船要严重。

4 结论

根据仿真结果，由于船舶与冰体之间的相互作用力成线性正相关，船速越大时,两者之间作用力越大，船头所受到的挤压力也越大，因此为了更好地研

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究与分析碰撞结构响应(损伤变形、碰撞力以及能量吸收等)，使计算结果特征更为明显，数值仿真计算时应选择以中速、高速碰撞为主。在其船舶与冰发生碰撞过程中，船舶吨位越大动能转化的船舶变形能越多，因此为了更好地研究与分析碰撞结构响应，船舶吨位的选取在适当的范围内较大较好。

上述的研究和模拟仿真都是在理想的条件下进行的，在研究过程中，对于速度方面没有考虑到行进过程中的风流影响，只假定为理想条件；同时还采用了附加质量的方式以降低运算复杂度和节省CPU计算时间，这些都是以后研究过程中需要完善和改进的地方。

[ 1 ] BROWN R, DALEY C. Computer simulation of transverse ship-ice collisions[R]. 2010.

[ 2 ] DALEY C, KIM H. Ice collision forces considering structural deformation[C]// ASME 2010, International Conference on Ocean, 2010:817-825.

[ 3 ] WANG B, YU H C, BASU R. Ship and ice collision modeling and strength evaluation of LNG ship structure[C]// ASME International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering， 2008，76(1)：121.

[ 4 ] LEE S G, LEE J D. Ship collision analysis technique considering surrounding water[J]. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 2007, 44(2):166-173.

[ 5 ] LEE S G, NAM J H, KIM J K, et al. Structural safety assessment of ship collision using FSI analysis technique[J]. Zeitschrift Für Rheumatologie, 2012, 48(1):88.

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[12] 张健, 张淼溶, 万正权,等. 冰材料模型在船-冰碰撞结构响应数值仿真中的应用研究[J]. 中国造船, 2013，4:100-108.

Numerical Analysis on Ship-Ice Collision Based on ANSYS/LS-DYNA

YANG Jinchao1, ZHU Faxin1, WU Wenfeng1, LU Jinshu1, WANG Shuaijun1, YANG Pengpeng1, ZHANG Min2

(1.School of Port and Transportation Engineering， Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, Zhejiang, China; 2.Zhoushan Min-Rui Technology Consulting Co., Ltd., Zhoushan 316022, Zhejiang, China)

Concerning on the issues that once collisions happen between the ships and icebergs or ice cakes in a complicated environment of the polar maritime space in a long-distance navigation, it will be likely to cause very serious fortuitous accidents under the impact stress in a short time. According to the explicit finite element method, the situation about the collisions between bulbous bow and the ice is simulated and analyzed. Energy-time curve and colliding force-time curve of ship bulbous bow structure are obtained. The outcomes resulting from various impact parameters are analyzed and discussed. Influence upon the collisions occurring the ice and different initial velocity of ships as well as the ships with different tonnages is obtained. It is of certain directive significance for studying the field of ship-ice collision.

finite element analysis(FEA); ANSYS/LS-DYNA; simulation; ship-ice collision

浙江省自然科学基金项目(LQ14E090001,LQ16E090003,LY16E090003)；浙江海洋大学核心课程建设项目(X14H046)；2016年浙江省育苗人才计划项目(YMJH201619)

杨金超(1987-)，男，本科，研究方向为船舶安全与污染控制

1000-3878(2017)03-0030-04

U661

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