低温极端载荷作用下船艏结构损伤演化过程研究.pdf
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1、第 20 卷 第 9 期 装 备 环 境 工 程 2023 年 9 月 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 73 收稿日期:2023-07-07;修订日期:2023-08-19 Received:2023-07-07;Revised:2023-08-19 引文格式:赵南,汪高飞,葛辛辛,等.低温极端载荷作用下船艏结构损伤演化过程研究J.装备环境工程,2023,20(9):73-80.ZHAO Nan,WANG Gao-fei,GE Xin-xin,et al.Damage Evolution of Bow Structure under Low Temper
2、ature and Extreme LoadJ.Equipment Environmental Engineering,2023,20(9):73-80.低温极端载荷作用下船艏结构损伤 演化过程研究 赵南1,2,汪高飞1,葛辛辛1,李飞1,张占阳1(1.中国船舶科学研究中心,江苏 无锡 214082;2.深海技术科学太湖实验室,江苏 无锡 214082)摘要:目的目的 掌握船舶在极地低温极端环境中航行时,船舶艏部结构遭遇冰山等极端载荷作用下的主要参数对结构损伤演化过程的影响,揭示船舶艏部结构的失效机理。方法方法 以船舶艏部结构为研究对象,基于数值仿真方法,开展不同碰撞场景、环境温度、撞击速度、
3、冰体塑性应变、船体材料本构模型、撞击角度等参数对结构损伤的影响研究。结果结果 建立了数值仿真简化模型,获得了不同参数对结构损伤的影响规律。结论结论 材料模型对船体结构损伤的影响较小。随着航速增加、撞击角度增大,船体损伤范围增大。随着船体材料性能增强,撞击区刚度增大,船体结构损伤范围减小。形成的损伤演化模拟方法可为极地极端环境下船舶结构损伤演化分析提供技术手段。关键词:低温;损伤演化;数值仿真;极端载荷;本构模型;艏部结构 中图分类号:U661.4 文献标识码:A 文章编号:1672-9242(2023)09-0073-08 DOI:10.7643/issn.1672-9242.2023.09.
4、008 Damage Evolution of Bow Structure under Low Temperature and Extreme Load ZHAO Nan1,2,WANG Gao-fei1,GE Xin-xin1,LI Fei1,ZHANG Zhan-yang1(1.China Ship Scientific Research Center,Jiangsu Wuxi 214082,China;2.Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science,Jiangsu Wuxi 214082,China)ABSTRACT:The wor
5、k aims to obtain the effect of main parameters of ship bow structure under extreme loads such as icebergs on the evolution process of structural damage when ships sail in the polar low-temperature extreme environment,and reveal the collapse failure mechanism of ship bow structure.With ship bow struc
6、ture as the research object,and based on numerical simu-lation.The effects of different collision scenarios,ambient temperature,impact velocity,plastic strain of ice,material constitu-tive model of ships,impact angle and other parameters on structural damage were studied.A simplified numerical simul
7、ation model was established,and the effects of different parameters on structural damage were obtained.The material model has little effect on the damage of hull structure.With the increase of speed and impact angle,the damage range of hull increases.The damage range of the hull structure decreases
8、with the increase of the material properties and the stiffness of the impact zone.The damage evolution simulation method developed in this paper can provide technical means for ship structure damage evolution analysis in the polar extreme environment.KEY WORDS:low-temperature;damage evolution;numeri
9、cal simulation;extreme load;constitutive model;bow structure 74 装 备 环 境 工 程 2023 年 9 月 北极圈油气和各类矿产资源十分丰富,目前已经成为各国索取资源的供给基地1。同时,随着全球气候变暖和北极冰盖融化进程的加速2,北极航道的通行窗口期将越来越长,人类在北极的各种商业、科学考察等活动也将更加频繁。中国作为邻近北极圈的重要大国和国际贸易强国,政治、经济、科技等方面都受到北极环境变化的重大影响。针对这一现状,我国也在积极应对,并于 2018 年 1 月发布了中国的北极政策白皮书3,目前已经承接部分冰区船订单,并对大型冰
10、区船舶进行了技术上的研制开发。自 20 世纪 90 年代至 21 世纪初,主要针对船-船碰撞、船-桥碰撞等开展了大量研究。Paik 等4开展了触底状态下船舶结构的耐撞性研究。李江涛等5开展了搁浅于刚性斜坡下船舶结构的耐撞性研究。赵南等6-7进行了补给作业船碰撞场景确定及损伤环境仿真分析。近 10 余年来,针对极地环境,国内外学者也开展了大量实验和仿真分析。刘俊杰等8开展了油船结构与浮冰碰撞仿真分析,获得了油船结构响应。Bruce9、Kim10、Abdullah11、Martin12等开展了冰载荷作用下的板架结构损伤变形试验和仿真分析,研究了冰载荷作用下加筋板的损伤变形情况等。袁光奇13开展了导
11、管架平台附近碎冰堆积过程模型试验研究,揭示了碎冰堆积过程机理。黄焱等14-15、蔡柯等16、Antonio17、Holm18、Marnix19开展了船冰碰撞载荷模型试验研究以及仿真技术研究等,得到了冰载荷时空分布规律及统计规律等。闫岩20基于数值仿真方法开展了冰载荷计算,并获得了该载荷作用下加筋板结构的承载能力。Bahar21基于 IACS 规范开展了 FPSO 结构响应及失效机理。Abraham22、Mihkel23、Liu24等基于数值仿真方法开展了船冰相互作用下船体结构响应分析及承载能力研究。总体来说,目前对于船舶在浮冰中航行的冰载荷特性、结构响应研究以及冰体与板架结构相互作用的模型试验
12、研究较多,大型以及实船船冰相互作用模型试验研究较少,且目前对于如冰山、冰脊极端载荷作用下的船舶结构损伤演化过程的研究较少。因此,本文将针对低温以及极端载荷作用下的船舶艏部结构损伤演化过程进行仿真分析,掌握各主要性能参数对损伤演化过程的影响规律,为极端环境下船舶结构设计及评估方法提供技术支撑。1 典型船冰相互作用场景 船舶航行在极地水域时,其艏部及涉冰带结构可能与浮冰、冰脊、冰山等发生接触碰撞。对于船舶与浮冰发生的常规碰撞,主要发生在船舶回转运动时舷侧涉冰带结构、船舶直线航行时艏尖结构等。对于船舶与冰脊或冰山发生碰撞情况,主要考虑到气候条件的影响(如阳光辐射、雾气影响)、船员偶然操作失误、探测仪
13、器设备失效或误判等因素。如雪龙号在2019 年时曾因浓雾遮挡,能见度极地的环境下与冰山相撞,泰坦尼克号在天气晴朗情况下与冰山相撞,导致舷侧进水,船体断裂而沉没25。对于极端环境条件,主要的船冰相互作用可以概括为:船舶艏部撞击冰山(见图 1a)、船舶应急避险时舷侧撞击冰山(见图 1b)以及船舶快速行驶骑冰脊(见图 1c)等 3 种场景。本文主要针对前两种场景开展艏部结构在低温极端环境下的损伤演化过程分析。图 1 极端船冰作用场景 Fig.1 Extreme ship-ice action scenarios:a)Scenario 1;b)Scenario 2;c)Scenario 3 2 仿真模
14、型建立及材料本构 2.1 船体结构建模及材料本构模型 文中采用等效船体梁方法26开展局部立体结构失效机理研究,对可能与海冰接触并发生变形的艏部进行了详细的有限元建模,细化区域的甲板、外板、纵桁、横梁及骨材等所有结构均采用壳单元建立,定义为弹性体。对于远离碰撞发生区域的船体结构进行简化建模,定义为刚体材料,以提升计算效率,并通过改变不同站位材料密度方式调整重心位置、重量等与实船一致。其中,远离碰撞区域长度为 141 m,艏部细化区域长度为46 m,宽度为16.5 m,型深为17 m,有限元模型见图 2 所示。模型中壳单元总数为 49 631个,节点数为 44 011 个。数值仿真分析过程根据工况
15、选择不同的初始速度,无其他约束条件。针对船舶结构与海冰碰撞场景,其船体的附件质量取为 0.02Ms(Ms为船体排水量)27,海冰的附件质量取为 0.1Mi(Mi为海冰质量)。图 2 船体有限元模型 Fig.2 Finite element model of hull 第 20 卷 第 9 期 赵南,等:低温极端载荷作用下船艏结构损伤演化过程研究 75 本文针对船用材料开展了40 和常温环境下的材料力学性能测试,获得了船用高强度钢应力-应变曲线,如图 3 所示。在保证材料曲线可以较好地模拟主要特征和变化趋势的前提下,将材料曲线进行合理简化,以减少材料动态力学性能试验工作量。图 3中给出了真实材料
16、应力应变曲线以及用于数值仿真分析中的简化应力应变曲线,弹性模量为 206 GPa,泊松比为 0.3,常温下对应的屈服应力为 472 MPa,40 环境下对应的屈服应力为 500 MPa。在60 时,该材料进入韧脆转变状态。由于本文未开展相应的材料力学性能试验,且文中的碰撞速度变化区间较小(615 kn),接近文献28中的速度,属于低应变率范围,因此本文采用 Cowper-Symonds 模型29来描述应变率对钢材料影响:1001PD (1)式中:0为在应变率下的动屈服应力;0为相应的静态屈服应力;D 和 P 为常数,对于高强度钢材料,取 D=2 560,P=5。为了更加真实地模拟船冰碰撞,本文
17、采用应变准则模拟钢材失效,并根据文献8中参数取钢材最大塑性应变值为 0.28。图 3 高强度钢应力-应变曲线 Fig.3 Stress-strain curve of high strength steel 2.2 海冰建模及材料本构模型 海冰模型采用 Hex8 体单元建立,并考虑计算效率,在碰撞可能发生区域进行网格细化,远离碰撞区域采用大尺度网格。2 种碰撞场景的冰体有限元模型如图 4所示,海冰长度方向为 80 m,宽度方向为 44 m,高度方向为 40 m。文中计算环境温度包括常温和40,且为保证分析中考虑单一变量的影响,海冰密度统一取 900 kg/m3。在数值仿真中,将海冰材料性质假定
18、为各向同性。海冰失效准则采用 Von-Mises 准则,海冰的破坏模式采用最大塑性应变失效30,海冰的主要力学性能参数见表 1。a 船艏撞击的冰山有限元模型 b 船艏侧面撞击的冰山有限元模型 图 4 冰山有限元模型 Fig.4 Finite element model of iceberg:a)finite element model of iceberg in ship bow impact;b)finite element model of icebergs in bow side impact 表 1 冰体材料参数 Tab.1 Ice material parameters 名称 参数
19、塑性失效应变 max 0.0030.1(考虑参数影响)剪切模量 G 2.26 GPa 屈服应力 y 2.12 MPa 体积模量 V 5.88 GPa 密度 900 kg/m3 截断压力 P 2.0 MPa 3 结构损伤及参数敏感性分析 2 种碰撞场景下,船冰相对高度方向的位置根据冰体受到的浮力以及船体结构吃水来确定,以保证碰撞发生的位置更加接近真实情况。对于球鼻艏及艏柱位置首先与冰山发生碰撞,主要研究球鼻艏及艏柱位置结构损伤,并开展航速、材料本构以及温度影响分析。对于舷侧与冰山发生碰撞情形,主要研究舷侧板架结构损伤情况,并开展不同撞击角度下的损伤分析。通过对上述 2 种碰撞场景的分析,获得不同
20、碰撞场景状态下主要失效部位的失效模式,以此掌握垮塌过程失效机理。3.1 船舶正撞冰山场景 3.1.1 航速影响分析 航速取 6、8、10、12 kn 等 4 种,撞击场景见图1a。通过图 5 可以看出,随着航速的增大,碰撞力量76 装 备 环 境 工 程 2023 年 9 月 值随之增大,冰体变形能量不断增加。4 s 后目标船航速基本为 0,对应的撞深基本保持不变,且发现对应的冰体变形能也基本保持不变。3.1.2 材料本构模型影响分析 本节主要分析 Cowper-Symonds 模型和真实材料模型对损伤过程及损伤范围影响。本节仿真对应的环境温度为常温,船体航速为 10 kn。通过图 6 可知,
21、2种材料模型下,碰撞力、能量的变化趋势基本一致,仅在局部峰值处存在一定差异。因此,后续分析中均采用真实材料本构模型。3.1.3 温度影响分析 本节主要针对常温和40 低温环境下材料性能变化对目标船垮塌过程及损伤范围等的影响进行分析,仿真中船体航速为 10 kn。通过图 7 可知,2种材料模型下碰撞力的变化趋势基本一致,仅在局部峰值处存在一定差异。对于常温环境下的材料,由于材料的屈服应力为 472 MPa,小于40 环境下的材料屈服应力。因此,采用常温环境下材料性能参数的目标船艏部结构的变形能要大于采用40 环境下材料性能参数的目标船艏部结构的变形能。图 5 航速影响 Fig.5 Effect
22、of speed:a)collision force;b)energy 图 6 材料本构模型影响 Fig.6 Effect of material constitutive model:a)collision force;b)energy 图 7 环境温度影响 Fig.7 Effect of ambient temperature:a)collision force;b)energy 第 20 卷 第 9 期 赵南,等:低温极端载荷作用下船艏结构损伤演化过程研究 77 3.1.4 船艏部撞击冰山场景 本节主要针对表 2 中的 4 个工况开展仿真分析,研究不同冰体塑性应变和航速组合情况下结构损伤
23、过程、失效范围,计算工况环境温度均为40。表 2 船艏部撞击冰山场景计算工况 Tab.2 Calculation condition for bow impact iceberg scenario 工况序号 航速/kn 冰体塑性失效应变 1 15 0.003 2 15 0.001 3 10 0.01 4 10 0.1 本次计算过程中的艏部结构损伤情况如图 8 所示。通过对比分析可以得出,随着冰体塑性应变的增大,冰体破碎范围逐渐减小,结构损伤范围逐渐增大。主要结构损伤发生在球鼻艏处,主要表现为球鼻艏板架结构的垮塌,加强筋结构的屈服失效。3.2 舷侧部撞击冰山场景仿真分析 本节主要针对表 3 中的
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