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船的前部结构与冰山碰撞的综合数值分析
Zhenhui Liu*, Joslash;rgen Amdahl, Sveinung Loslash;set
挪威科技大学，特隆赫姆，挪威
摘要
本文介绍了基于连续介质力学模型的船体冰山碰撞的综合弹塑性分析的结果。通过将问题分解为外部和内部两种机制，对碰撞仿真进行了简化。一个简化的构思被用来获得船冰碰撞能量耗散的要求。内部力学评估采用显式非线性软件LS-DYNA 971。一个新的冰山材料模型被用来模拟在撞击过程中的冰山行为。船首结构用壳单元模拟。一种广泛使用的钢的断裂模型被用来考虑由于过度变形而造成的断裂现象。通过调整钢的应力-应变特性来改变船体和冰山的相对强度。本文对两个不同半径的半球形冰山进行了研究，一个是半径为2000毫米，另一个半径为1000毫米。冰山的撞击点被假定为肋骨框架或中间的肋骨框架。本文对接触压力的变化过程、船首损伤的分布和冰山破碎进行了综合研究。
关键词：数值分析，冰山，船，碰撞
1.介绍
由于大量的油气储藏，北极水域正成为一个有吸引力的地区。在这些领域的探索会遇到恶劣的环境因素，如冰荷载和低温。然而，在过去几年由于全球变暖，海冰面积和厚度已减少。在未来的日子里，这些减少的冰可能会提供新的航行路线进入这些水域中。由于这个活动的增加，船和冰山碰撞的概率会增加。对冰山撞击引起的载荷评估是船舶设计人员的重要课题。现代船舶与海洋工程结构的设计应遵循极限承载状态（ULS）的原则并用意外极限状态（ALS）的要求下做进一步校核。
虽然没有明确的规定，船舶结构的常规设计是遵循ULS格式来的。这种设计意味着结构只允许发生小变形，没有或只有有限的弹塑性行为。接下来的任务是确定尺寸，这样的结构要能抵抗当冰被船压碎时来自冰的最大压力和作用力。因此，冰的行为特点用压力与接触面积曲线来表示；接触面积越小,压痕压力越大。在过去的几十年中，已经投入了大量的努力，以确定针对破碎的冰的压力-面积关系。大量的构思可在北极海上结构船舶分类规范和规则中发现，如IACS [12]和ISO 19906 [13]。冰压力的返回期并不总是明确地陈述，但一般情况下，从几年到100年不等。
压力-面积关系有时候从非常罕见的冰撞击事件得出，例如一万年一遇。这样的目的是为了将压力考虑在ALS形式的设计中。如果我们想设计一种撞击冰的时候变形适度且强度足够的结构，那么这样的压力-面积关系很有用，类似于在ULS设计中的任务。然而，这样的设计往往会过于保守。在大多数规范中，公认的是结构在ALS设计中会发生实质变形；屈服，塑性机制，屈曲等.，是允许的，但相对于整体稳定的结构完整性不应被置于危险之中。对于携带危险货物的船舶或海上结构物，通常要求不能发生一点泄露。对于一个双壳油轮，这一要求意味着，外壳发生总体变形和断裂可以接受，但内壳（货舱）穿刺是不应该发生的。对于这种设计，压力-面积曲线是没有意义的，在冰结构界面上的压力将在很大程度上受到结构阻力的限制。
在实际的设计中，不同于一个偶然的冰山撞击，除了冰山的质量和速度，我们还需要了解关于冰山的形状和冰山的连续介质力学模型的知识。这两个问题都面临着许多挑战。
冰山可能采取的各种形状。一些尝试已经被用来表征冰的形状，例如，桑德森[20]和麦克纳[18]，但到目前为止，可用于ALS设计的标准形状共同协议尚未建立。另一种基于实证调查描述冰山形状特征的方法是考虑结构阻力对冰山的影响。一般而言，一个有这像矛一样的突出物的冰山刺破船壳的可能性非常大。然而，在这种情况下，该船的一侧将简单地粉碎冰。一个垂直冰山的平表面对冰产生巨大的限制，这可能使其成为近乎刚性的结构。然而，相应的大的接触面积产生一个巨大的能量耗散能力，使它不可能渗透到内壳（除非冰山动能是非常大的）。本工作的一个重要目标是评估冰山形状，就其破坏潜力而言。它会显示出与大冰块碰撞应变能量耗散的需求，冰山和碎片达1000吨适中。这一观察意味着一个相对较小的部分的冰山将被粉碎，并有助于能量耗散。因此，准确的描述冰山整体形状是没有必要的，但相反，局部形状是重要的。此外，考虑到船舶的结构形状，应对局部形状进行评估。
冰的物理性质是复杂的，并且连续介质力学模型存在相对较少。这些限制使冰结构相互作用的数值模拟成为挑战。在20世纪80年代，典型的数值方法对模型冰山冰的使用是基于简化的解析方程和冰的破坏强度，例如Cammaert和Tsinker [3]和Arockiasamy等人。[2]。冰山的冰在撞击过程中的破碎和裂纹都没有考虑。Gagnon对冰山影响的数值模拟做了大量的研究，例如Gagnon [8,9]。称为“可压碎泡沫”材料类型被用于模拟冰破碎。这是一种很有前景的方法对于研究结构和冰山的相互作用。然而，它还没有被应用到综合分析。刘等人[15]提出了一种冰山冰的新的材料模型，旨在促进模拟船舶结构和冰山相互作用。这是基于塑性理论，并且“侵蚀”技术被用于模拟破碎的冰山。本文论述了在综合分析中采用的这种模型。
所使用的材料模型是基于一个从冰山复杂的物理机制中简化出来的模型。因此，验证它是否可以真实的描述冰山破碎行为是必要的。因此，本文详细研究了在综合分析中得到的结构-冰山界面压力。
对能源消耗的需求是另一个重要的问题。冰山及其相关附加质量代表了动能, 冲击速度的影响往往在很大程度上取决于这艘船的速度。只有一小部分的动能作为应变能耗散。根据碰撞的几何形状，很大一部分的冲击能量仍以动能的形式保留。为了便于分析这一结论将其分为两个方面，外部力学和内部力学。外部力学的结果是能量耗散的需求。这一结果提供了一个有用的角度来看预计在结构和冰上的变形量。在内部力学的综合分析中，确定了损伤和能量耗散的分布。本工作的一个主要目标是研究在船舶和冰山作为一个功能的相对强度的结构损伤的分布。另一个目的是确定冰山尺寸的影响，一个什么样的尺寸呢，一个典型的油轮不需要经过危险验收标准审核并可以承受的尺寸。
Fig. 1. Illustration of the external and internal mechanics.
本论文中的船冰碰撞的综合分析，是用非线性有限元模型来考虑船体和冰山的变形。这一分析与在ALS的设计阶段的共享能量设计法相一致。为简单起见，我们将冰山碰撞的动力学拆分为外部和内部力学（见图1）。外部力学处理船舶和冰山的全局平移和转动动量平衡问题。它可以通过分析方法分析（详细信息可参阅Liu和Amdahl [ 14 ]的工作。然而，内部力学聚焦的是船舶和冰山的局部变形。非线性有限元分析（NLFEA）方法用于分析由于船和冰山复杂的几何和力学问题造成的内部力学。这两种力学是由耗散的能级耦合起来的。本文将主要描述船冰碰撞的内部力学。
2.外部力学
从能量转化成实际的角度出发，对能耗的需求是利用由Liu和Amdahl [14]开发外部力学计算模型首先确定的。该模型取决于几个因素，如冰山质量，重心，附加质量因素和碰撞角度。在一般情况下，这样的参数是高度依赖于现场数据，这是不可用在研究过程中。这种数据也有相当大的不确定性。这些不确定性在概率分析框架中被考虑，看Fuglem等人[ 7 ]。由于这个原因，下面介绍这种简化的假设。
根据Liu和Amdahl [ 14 ]，如果影响是纯粹的塑性和中心（碰撞力通过重心），在船与冰山相撞过程中最高的消耗能量（E0）将会达到，从而得到以下表达式：
Mship、Miceberg分别代表船和冰的质量，一般的，附加的质量因数应该被考虑（参见Liu and Amdahl [14]文章中的结论）。然而，为了简单起见，我们现在的讨论不考虑它。，通常趋近于1在这个式子中，因为主要是碎片或大冰块碰撞船舶结构。如果一艘150000吨的船撞上了1000吨的冰山，那么=150/151。是船和冰山的相对速度。
船舶碰撞中的能量耗散(E)的需求，因此可以表示如下：
xi;是一个取决于各种参数的系数，例如碰撞位置，水线角，船的框架角度，重力的相对中心（COG）的位置和船与冰山之间的速度方向。量化xi;的值是一个挑站。通过Fuglem[7]等人所做的工作揭示如何评估xi;。对于冰山和船舶碰撞案件，如果我们考虑冰山和船首结构相撞是最有可能的情况，0.3这个系数可能是基于先前Liu and Amdahl [14]研究的保守假设。
图2绘制了应变能量耗散与艏部碰撞不同大小冰山的相对速度之间的关系。例如，如果一个5000吨的冰山与150000吨船的艏部以相对速度为5米/秒碰撞，估计总消耗的能量为18.2 MJ。如果冰山的大小是10000吨，耗能的需求是35.2 MJ。这些值与目前用在北海平台碰撞事故的标准比对得上（14 MJ的补给船舶，40–60 MJ过往船只，见Moan [17]）。然而，一般关于能量水平的结论应根据现场数据得出，如冰山和船的大小，质量，形状和速度等。这样的工作被Liu等人完成。所需的能量可以被消散，无论是作为在船中的应变能，或通过破碎的冰或破碎的冰山和船只。如果我们把它与下面的内部力学分析连接起来，这样可以直接测量损害程度的值。
3.内部力学
关于船冰碰撞的内部力学本节有一个详细的讨论。
3.1船模型
船艏模型是基于一个冰强化FPSO结构图（见图3（a））。主要尺寸见表1。
用钢材料模型是由Alsos等人[1]开发。假定该材料具有各向同性的塑性性能并且使用模拟平面应力的J2流动理论。等效应力-应变关系由一种包括高原应变的修订之后的幂律公式代表：
εplat是在高原出口处的等效塑性应变，sigma;y表示初始屈服应力，K为强度指数，n为应变硬化指数。应变ε0是在高原和幂律表达式交叉的地方（εplat,sigma;y），它用下面的表达式：
RTCL破坏准则被应用在发生在仿真中钢的断裂和裂纹的综合分析中。详细信息可参见Alsos[1]等人的论文。钢模型的关键数据列于表2。
3.2冰山模型
定义真正的冰山形状是一个挑战。然而，在本研究中提出了2个不同的冰山形状。第一个是半球形，半径为2000毫米。第二个是包括前面半径为1000 mm的半圆形球体的菊科形状的冰山，高度为2000毫米的圆形平台，顶部和底部的半径分别为1000毫米和1500毫米，（见（b）和（c）图3）。球形冰山模拟冰山和船艏碰撞过程中的接触区域。这些形状是高度理想化的，也有其他可能形状的接触区域，今后可能被调查出来。这两个冰山模型都是由本构关系建立起的六八面体固体元素模型。
基于“Tsai-Wu” 屈服面的冰山材料模型被Liu等人[15]发展：
是静水压力，是第二广义应力不变量，A2，A1和A0是常数，需要三维实验数据拟合。一个用户定义的破坏准则被提出，如下：
、
是等效塑性应变，是塑性应变张量，εf是破坏应变，ε0是初始破坏应变，应该根据实验数据进行调整，并且P2是更大的屈服函数的根。如果或者这个压力不在比切断压力Pcut更大，侵蚀被激活。这个故障判据是基于试验和误差,纯粹是根据经验来的。只有一个输入参数(ε0)是必要的。
在不同的数值例子中，冰山材料模型都表现得很合乎情理。更多细节可在刘等人[15]的论文中看到。不同的屈服面参数的值都试过了,，并得出的结论是，基于Derradji-Aouat [5]所做的工作获得的数据可以被用于局部结构变形的模拟。本论文对冰山材料模型的行为和有效性做了更进一步的调查。目前的冰山材料模型的数据列于表3。正如刘等人[15]所讨论的，来自Derradji-Aouat的数据给出了上界的冰山影响负载。
3.3边界条件和碰撞的位置
船艏的末端结构是固定的。该船艏结构是足够大的以尽量减少对边界结果的影响。冰山以4000毫米/秒的自由速度撞击船艏。碰撞位置放置在中间的两个垂直纵梁(侧面图4)。两个位置被考虑：一个是顶部的肋骨框架另一个位于两个肋骨框架中间（图4俯视图）。
4.仿真结果
非线性显式有限元程序LS-DYNA 971被用来评估船体结构和冰山变形。该仿真在八核Xenon 64EMT Linux服务器上运行。每种情况下的仿真时间约为20小时。表4给出了三组接触和摩擦因子。如果冰元素被侵蚀选择*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE用于考虑船舶结构和新出现的冰山表面之间的接触。选择*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE计算船体结构构件之间的内在联系。命令*CONTACT_ERODING_SINGLE_SURFACE能计算冰元素之间可能的联系。更多信息可在[11]Hallquist中找到。
4.1冰冲击压力 全文共14301字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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