冰载荷作用下船首结构碰撞数值仿真计算与分析.pdf

《冰载荷作用下船首结构碰撞数值仿真计算与分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第26卷增刊1中国海上油气Vo1．26S．12014年8月CHINA0FFSH0RE0ILANDGASAug．2014冰载荷作用下船首结构碰撞数值仿真计算与分析张充霖(中海石油技术检测有限公司)摘要基于渤海海冰的力学统计资料，以典型散货船为研究对象，应用MSC．Dytran大型有限元软件对3种不同形状的冰体与船首结构碰撞的动态响应进行了非线性有限元计算。比较分析了3种方案下船首结构的损伤变形、碰撞力以及各构件的能量吸收，获得了在不同形状的冰体碰撞下船首结构的失效损伤规律及能量吸收机制。关键词船冰碰撞；结构动态响应；

2、损伤变形；能量吸收；数值仿真计算作为我国纬度最高的海区，渤海每年冬季因强碰撞”。本文采用MSC公司开发的大型非线性有劲而稳定的西伯利亚冷高压的侵袭都会产生不同程限元程序MSC．Dytran进行碰撞数值仿真计算。度的结冰现象。特别是2010年1月，出现了近301碰撞数值仿真计算年同期最为严重的海冰灾害，其分布面积约占渤海总面积的51％。大范围的海冰灾害给油气生产、物1．1船舶碰撞材料的选择资运输造成恶劣影响，严重威胁到船舶与海洋结构船冰碰撞属于非线性动态响应过程，船体材料物的安全_．]。而对于散装货船、穿梭油轮等运输

3、船一般要进入塑性流动阶段，为了更真实地反映船冰舶来说，最严重的危害莫过于海冰与船舶的碰撞事碰撞这一非线性过程中的船体材料特性，在参考了故。自由漂浮的海冰约有90％的体积沉在水下，通大量文献资料的基础上，本文采用线性强化弹塑性常具有锋利的边缘，一旦船只不慎靠近，极有可能损模型，并根据韩国釜山大学JoemKeePaik教授试坏船体而引起货物泄露和环境污染，甚至造成重大验得出沸腾钢的材料曲线确定了船体材料的最大人员伤亡。因此，探究船舶与冰体碰撞后船体结构塑性失效应变值。船体钢的材料参数如表1所示。的动态响应和损伤变形，有

4、利于优化船体的结构形表1船体钢的塑性动态材料参数式，对于提高我国船舶在冰区航行中的结构安全性能、保障海上人员安全、防止油气泄漏造成污染、促材料参数取值进高纬度海域油气资源的合理开发与利用等具有重屈服应力口／(N·m)2．35×1()弹性模量E／(N·m。)2．06×10”要的理论意义和应用价值。硬化模量Eh／(N·m)1．18×1O船舶与海冰碰撞是船、冰结构在很短的时间内密度p／(kg·m)785O在巨大冲击载荷作用下的一种复杂的动态响应过泊松比O．3应变率参数D405程，存在着大量的非线性问题，这使船冰碰撞的研究

5、应变率参数q变得相当复杂和困难。目前学术界对于船舶与海洋最大失效应变ef()．28结构物碰撞问题的研究方法大致有4种，即简化解析或经验公式、模型试验、数值仿真以及实船事故调1．2冰体碰撞材料的选择查。其中，结构有限元数值仿真方法是当前最为经冰体材料本构模型的建立一直是国内外研究的济便捷、精确有效的方法，不仅能够计算碰撞区的结热点和难点，K．S．Carney等人提出了一种用来模构损伤变形与碰撞力，而且还结合了外部机理的分拟高速碰撞(100m／s)的高应变率的冰撞击模型，析与计算，可以仿真碰撞现象，实现结构问的“虚拟R

6、．Gagnon使用了一种可压碎泡沫材料来模拟冰山作者简介：张充霖，男，助理工程师，硕士，从事海洋石油结构检验与评估工作。地址：天津市滨海新区渤海石油新村554信箱。(邮编300452)。E—mail：zhangch127@cnooc．corn．cn。第26卷增刊1张允：冰载荷作川下船结构碰撞数仉仿计算-j分析7掩击船舶的力学特性，然答于冰的复杂悱，很难开发出一种能够涵盖冰的所有属性的材料模。对于有限冗仿真来说，如果模型能够预测合王里的压力一而积关系．那么在用于船冰碰撞的有限元分析中就叮以认为是足够准确的。本文在前人

7、研究的基础=；铁州模I，采用MSC．Dytran模块中的于Tsai—Wu屈服一一一～一一一∽曲面的Elas—Plas基本材料，并结合挪威ZhenhuiIiu、韩同SangGabIee、美国BoWang等人的研究。参考渤海海冰的力学特征资料，对其中的部(a)正方体的侧表厨分参数进行r白定义，经过有限元软件的系列计算，明压力一面积关系曲线与文献中的试验数据和规范值吻合较好，能够较合理地描述船冰碰撞过程II

8、冰的材料属。模的参数没置见表2。表2冰的材料参数材料参数取值22．932【l6一I】．()23(h)正方体的棱角【

9、1．11193()U．31335711．3冰体形状的简化海冰的形状虽丁姿态。fJ_I就数值仿真计算来说。最为父注的是与船舶接触域的冰体形状。至于碰j七余部分的彤状对碰掩研究来说町以忽略不计。本(c)钟形文在参考DNV推荐的针对有限兀仿真的冰山形状图1简化的碰撞区域冰体形状础卜。将碰撞Ⅸ域冰的形状简化为女¨下3种有代表性的类型(图1)：(a)撞击位为正方体的侧