低溫下船冰擠壓響應(yīng)研究.pdf

1、目前世界破冰船建造國家多為北歐國家，還有俄羅斯、美國、日本等國家。而中國現(xiàn)今制造的破冰船多基于渤海及黑龍江冰情，還未有自主建造的極地航行區(qū)域破冰船下水。隨著極地近岸地區(qū)冰情的減弱，北美歐洲等國紛紛開通北極近岸航線。
　　由于極地地區(qū)環(huán)境十分惡劣，無論是專業(yè)破冰船還是運輸船舶，都無法回避冰載荷帶來的嚴峻挑戰(zhàn)。在海冰的作用下，船舶很容易發(fā)生漏油事故，一方面既會造成船員的傷亡又會給企業(yè)造成極大的經(jīng)濟損失；另一方面，將對極地的環(huán)境造成巨大

2、的破壞。所以在極地航行的船舶必須重視船舶與冰體的作用。
　　本文以一艘冰區(qū)油船為研究對象，通過對船冰相互作用的模擬來分析船體的擠壓力及其損傷情況?？紤]船冰的舷側(cè)動擠壓和回轉(zhuǎn)擠壓兩種工況，研究了船速、擠壓速度、冰厚、轉(zhuǎn)舵速度等因素對船體舷側(cè)的擠壓響應(yīng)的影響，獲得船體結(jié)構(gòu)的擠壓力、剩余速度及損傷。具體研究內(nèi)容如下：
　　為了研究船舶與冰體的相互作用，本文首先分析了低溫下鋼材料的性質(zhì)及海冰的失效準則。利用 LS-DYNA建立各向同

3、性粘塑性有限元數(shù)值模型，并查閱資料定義冰材料的本構(gòu)模型。結(jié)合ISO推薦壓強-面積理論曲線和相關(guān)學(xué)者的實驗數(shù)據(jù)，驗證數(shù)值模型的可靠性。
　　其次，描述了船冰發(fā)生擠壓的兩種場景，分析擠壓發(fā)生的原因。比較了兩種冰體與船體的擠壓作用，分析船舶舷側(cè)所受到的擠壓力，發(fā)現(xiàn)船舶遇到有棱角的海冰時塑性變形較大，因而冰排的形狀采用有棱角的海冰；比較了三種不同的海冰和船體之間的摩擦系數(shù)，通過船冰擠壓響應(yīng)比較了不同摩擦系數(shù)造成的影響。探索了船舶具有恒定的

4、航行速度及逐漸遞減的初速度時船冰擠壓相互作用的不同。
　　再次，建立油船雙底雙殼的貨倉區(qū)域和具有棱角的冰排的有限元模型，分析船冰動擠壓過程中，擠壓力、速度的變化及船體舷側(cè)的吸能情況?？紤]航速、擠壓速度及冰厚三種因素對船舶擠壓響應(yīng)的影響。計算結(jié)果表明，隨著擠壓速度增加，船冰接觸面積也相應(yīng)增加，船舶舷側(cè)與冰體擠壓作用增加，船舶舷側(cè)破壞嚴重。不同的冰排厚度對擠壓響應(yīng)影響較大，冰排厚度越大，對船舶造成的擠壓影響越大，擠壓損傷也就越大。航行

5、速度的大小對擠壓影響不明顯，但隨著航行速度的增加，損傷有所增加。
　　最后，建立油船雙底雙殼的貨倉區(qū)域和方形冰排的有限元模型，分析船舶回轉(zhuǎn)擠壓過程中，擠壓力的變化、船體舷側(cè)的吸能情況?？紤]冰厚、轉(zhuǎn)舵速度及冰排狀態(tài)三種因素對船舶回轉(zhuǎn)擠壓響應(yīng)的影響。計算結(jié)果表明，冰排越厚，對船舶的損傷越嚴重；相比于自由浮冰，船舶遇到有迎面速度或者固定冰排時，船冰之間的相對運動較小，船舶舷側(cè)損傷較嚴重；由于轉(zhuǎn)舵速度的增加，船舶旋轉(zhuǎn)的速度也就相應(yīng)的增加，