计及结构变形能的冰载荷快速计算方法.pdf

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1、第46卷第2期船海工程Vol.46No.22017年4月SHIP&OCEANENGINEERINGApr.2017D01：10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.009计及结构变形能的冰载荷快速计算方法王文瑜，唐文勇,杨晨俊(上海交通大学a.海洋工程国家重点实验室；b.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240)摘要:借助解析方法估算出的船冰碰撞中舷侧3个典型碰撞位置结构变形能，对计算冰载荷的能量法进行修正和完善，得到计及结构变形能的冰载荷计算能量法，采用MATLAB编程计算得到不同

2、接触面形状的有限大海冰与船舶舷侧3个典型位置相撞时的最大冰载荷和冰载荷随时间变化的曲线，实现了对冰区航行船舶局部冰载荷快速而准确的估算。关键词:船冰碰撞;冰载荷;结构变形能;解析方法中图分类号:U661.4文献标志码:A文章编号：1671-7953(2017)02-0038-06北极航线的战略与经济价值和北极地区的资限，并且不能反映船冰的真实作用过程和结构变源开采使得船舶与海洋结构物在极地的活动日趋形的物理原理。船舶与冰碰撞时发生塑性变形难频繁。极区船舶与冰的碰撞不可避免，是冰区船以避免，各船级社规范都允许冰区航行船舶

3、有适舶设计时需考虑的主要危险。如何快速准确地预当的塑性变形。结构发生塑性变形后，其变形能测冰区航行船舶与冰碰撞时的冰载荷成为国内外占到碰撞耗散总能量相当大的比例。因此，有必学者研究的焦点之一。要合理估算出结构的变形能，对能量法进行修正，目前，学术界已发展出多种计算冰载荷的方以快速得到更准确的冰载荷。法，即理论方法、经验公式法、实验法、有限元数值为此，对冰载荷的作用形式进行合理的简化，仿真法和能量法。国外学者提出了一些冰载荷计基于塑性力学原理，采用研究碰撞过程中结构响算的理论模型和经验公式[12]，但由于人们对冰的应的解

4、析方法，估算出船冰碰撞中结构的变形能，材料属性认识有限，以及船型的限制，现有的理论对计算冰载荷的能量法进行修正,得到计及结构模型和经验公式尚不成熟，难以广泛应用。实验变形能的能量法，在此基础上借助MATLAB编法虽较为可靠有效，但需要大量的经济投入。非程，实现对冰载荷快速准确的估算。线性有限元法是探索较多的方法，国内外学者借1理论基础助软件模拟了船冰碰撞的动态过程，得到了碰撞冰力[35]，但在冰区航行船舶的初始设计阶段可能1.1船冰碰撞的能量法需要大量修改结构尺寸，采用非线性有限元法显船冰碰撞过程非常快，现阶段的研究一

5、般认然耗时耗力。为海冰主要发生破碎失效和弹性屈曲失效。当海能量法是基于能量平衡计算冰载荷的简单方冰发生破碎失效时，冰力可由能量法计算。能量法并被广泛应用[6]，但其忽略了结构变形能的影法适用于船舶与浮冰的碰撞，将船冰碰撞前后损响，得到的冰载荷偏大，使结构设计过于保守，损失的能量等同于海冰的挤压能，即海冰破碎所吸害船舶经济性。Daley[7]用回归的方法对船冰碰收的动能。撞过程中结构的塑性响应做了线性拟合，得到了KEn=IE,(1)计及结构变形能的冰载荷，但其方法应用范围有式中为船冰碰撞过程中损失的动能;为海冰的挤压能。

6、收稿日期=2016-09-01海冰挤压能等于挤压力（冰载荷）圪对海冰修回日期=2016-10-01挤压位移&的积分。第_作者:王文瑜（1991f一），男，硕士生IE,=FJi,⑵研究方向：船舶冰载荷及结构响应•>0382017年船海工程王文瑜，等:计及结构变形能的冰载荷快速计算方法第2期第46卷为了求解能量方程（1)和（2)，Daley[7]引入了冰的压力-面积关系得到挤压力与位移的关系。研究表明，平均压力Pav与接触面积人的关系满足Pa,=PA：(3)式中。为接触面积为1m2的压强;为常数。根据不同的接触面形状，疋与

7、&存在一定的几何关系。对于不同接触面形状的海冰，经过几何推导图1表明结构开始塑性变形后，会吸收大量和数学运算，冰载荷、海冰破碎吸收的能量都可分的能量，而弹性阶段的变形能相对很小，可以忽略别表示为以下形式。不计。本文基于塑性力学原理，利用评估碰撞过Fn=P〇gfag^(X~l⑷程中结构响应的解析方法，相对准确地估算出船冰碰撞中的结构变形目泛。IE,^(5)解析方法把船舶结构分为几类基本组件:板式中：/,，A为与船冰接触面的几何形状参数相壳结构、宽桁材结构和十字形结构，且不考虑组件关的表达式，体现了冰载荷/接触面积的关系和

8、接之间的相互影响，将每个基本组件的碰撞力和吸触面积/挤压位移的关系。收的能量值叠加，即得整个结构的碰撞力和变形式(4)表明，挤压冰力仅与挤压位移有关，且能。挤压位移最大时，挤压冰力最大。当船舶以一定初速度和静止的浮冰相撞，由船冰碰撞损失的总动能为式(9)的能量关系，基于解析法原理，整体结构的变形能等于结构各基本组件的变形能I之KE