冰材料模型在船一冰碰撞结构响应数值仿真中的应用研究

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1、54卷第4期(总第207期)中国造船vo1．54No4(SefialNo．207)2013年12月SHIPBUILDINGOFCHINADeC．2013文章编号：1000．4882(2013)04．0100．09冰材料模型在船一冰碰撞结构响应数值仿真中的应用研究张健，张淼溶，万正杈，尹群(1．江苏科技大学船舶与海洋工程学院，镇江2120032．中国船舶科学研究中心，无锡214082)摘要提出适用于船一冰碰撞数值仿真研究的冰体材料模型。基于该模型，用非线性有限元软件对整船．冰碰撞进行数值仿真，研究船舶肩部与冰体在不同碰

2、撞角度下发生碰撞时的动态响应特性，用以揭示不同工况下船舶损伤变形、碰撞力、能量吸收的规律，为船舶抗冰载荷设计提供参考。关键词：船．冰碰撞；冰体模型；结构响应；数值仿真中图分类号：U661．4文献标识码：A0引言2013年5月，中国成为北极理事会正式观察员，这对我国来说是一次重大机遇。我国作为近北极国家，积极开展冰区船舶的设计标准及研发工作，对于未来参与“北极航道”开发以及保障船舶的航行安全具有重要意义。近年来全球气候变暖，北极冰川融解加剧，北极航线越来越具备在夏季通行商船的能力。然而，散落于海上的冰山及浮冰碎片大量增

3、加，使得船只与包括冰山在内的浮冰碰撞事故屡有发生。国外对船．冰碰撞力学机理方面的研究已经开始，但尚不充分。挪威科技大学ZhenhuiLiu、JorgenAmdahl(1-21较系统地研究了船舶与冰山碰撞的外部动力学及内部动力学问题。挪威科技大学BiaoSu和芬兰KajRiska[3]应用数值模型来估算作用于船体总体和局部的冰载荷。韩国海事大学S．G．Lee[41利用有限元软件LS—DYNA计算了船舶的结构响应，并进行了柱状冰体碰撞试验。美国船级社BoWang等【5对LNG船与可压碎冰碰撞建模，进行非线性动态有限元分析

4、。我国在船．冰碰撞方面的研究处于起步阶段，尚未见有船．冰碰撞动态结构响应数值仿真的相关文献。1船．冰碰撞的数值仿真模型1．1船体、冰体材料模型在参考文献[6—8]的基础上，本文考虑冰区的低温影响，采用线性强化弹塑性模型，使用最大塑性收稿目期：2013．08-26：修改稿收稿日期：2013．11-26基金项目：江苏省船舶先进设计制造技术重点实验室开放研究基金(CJ1206)；江苏省高校优势学科建设工程项日54卷第4期(总第207期)张健，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101应变失效作为材料的失效

5、准则，选取钢材的最大失效应变为O．28。要准确地描述冰体的材料特性目前尚有许多困难，本文提出将冰体的失效应变作为评判冰体是否破碎即失去载荷的衡量依据，用以模拟某一条件下的冰体材料特性。理想纯净的冰山冰在力学性质上表现为各向同性。对于各向同性的材料，其属性服从Tsai-Wu屈服曲面本构方程：广———————————————f(P，g)=q一√0+alP+a2P(1)，_r，上式中，P=l丛)=j为静水压力，q为VonMises应力，，a1和a2为拟合三轴实验数据，而得到的∞旧㈣㈣㈣m常量。该方程可以较好地体现冰体的脆性

6、特征。根据Simo和Hughes提出的根据截平面算法绘制失效应变与压力之间的关系曲线[，如图1所示。对Tsai．Wu屈服曲面方程进行变换，得到材料的失效应变与初始失效应变之间的关系式，当材料的失效应变达到时，材料即到达失效状态。定义为：=(2)=+(旦一0．5)(3)式中，《是等价塑性应变，是塑性应变张量，Sf是失效应变的准则值。。是初始失效应变，可根据实验数据来调整。而P是屈服函数的较大的根。如果>Cf或者压力小于截断压力Pc．t的话，材料就会产生失效。根据挪威科技大学zhenhuiLiu[¨、韩[~SangGab

7、Lee[4]、美国BoWang[5]等人的研究成果，本文将冰山冰的初始失效应变取为0．O1。根据Tsai．Wu屈服曲面确定各参数之间的关系，定义冰体的材料模型参数，见表1。0t0102O30405060708090100110P

8、?a图1失效准则曲线(P=IOOMP)表1冰的材料参数中国造船学术论文速增加，船体外板变形不断增大，碰撞力曲线上的峰值时刻为舷侧外板穿透时刻，之后有一个短暂的卸载过程，在船冰继续相对运动过程中，冰体继续划割舷侧肋骨，舷侧肋骨的断裂同样会引起碰撞力的增加，因此出现碰撞力曲线的剧烈波动。不同夹角

9、的撞击对整个碰撞力一时间历程曲线的变化趋势不会产生太大的影响，但对碰撞力一时间历程曲线上峰值的大小和相对位置有一定影响。从图l2可看出，撞击船与冰体的夹角为30。时，舷侧板破裂时的碰撞力峰值最大，=O。与=45。时，碰撞力下降且大小基本相当。这是因为=30。时由于船体外板自身的型线与船舶纵轴本来就存在15。的夹角，所以此时冰体的一条棱与船体外板