摘 要

近年来，随着全球自然资源的日益匮乏，人们对极地地区资源开发的关注度越来越高。而影响极地自然资源开发的一个重要问题就是极地地区普遍存在的浮冰，浮冰的存在严重影响极地船舶航行的通畅与安全。因此对极地船舶与浮冰的碰撞问题的研究成为国内外的研究热点。

本文研究并论述了国内外冰体与结构碰撞的试验方法和数值计算方法。开展了冰体在准静态压缩下的力学特性试验，对冰体材料力学特性进行分析并得到合适的冰体力学特性数据。同时开展了船体板材料拉伸试验，得出材料真实应力-应变曲线，为有限元仿真中材料参数提供依据。

本文开展了船体板结构与楔形冰体的碰撞试验，并对试验冰的制作、试验设备和数据采集仪器进行了介绍。通过碰撞试验得到了碰撞过程中冰块的加速度及板中心点的位移，并对试验数据进行了处理。

此外，本文通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行了冰块与船体板碰撞的数值仿真，分析碰撞过程中结构的响应，并将有限元计算结果与实验结果进行对比以验证有限元软件数值仿真结果的可靠性。

最后，本文通过数值仿真进行参数分析，分析浮冰速度、浮冰质量以及船体板厚度等碰撞参数等对浮冰与船体板碰撞响应的影响，并从船体板变形和船体板结构吸能的角度分析其规律。

关键词：冰-船碰撞；冰材料模型；模型试验；数值仿真；动态响应

Abstract

In recent years, with the increasing scarcity of global natural resources, people are paying more and more attention to the development of resources in the polar regions. An important issue affecting the development of polar natural resources is the widespread ice floes in the polar regions. The existence of ice floes seriously affects the navigation and safety of polar ships. Therefore, the research on the collision of polar ships and ice floes has become a popular point.

This paper reviews the model test methods and numerical methods of study on ship-ice collision. By carrying out the mechanical properties test of ice body under quasi-static compression of rigid body, the mechanical properties of ice material are analyzed and the suitable mechanical properties of ice body are obtained. At the same time, the tensile test of the ship plate material was carried out, and the true stress-strain curve of the material was obtained, which provided dates for the material parameters in the finite element simulation.

In this paper, the collision test between the ship plate and the wedge-shaped ice body is carried out, and the production of the test ice, test equipment and data acquisition instruments are introduced. The acceleration of the ice during the collision and the displacement of the center point of the plate were obtained by the collision test.

In addition, this paper uses the finite element software ANSYS/LS-DYNA to carry out the numerical simulation of the collision between ice and ship plate, analyzes the structural response during the collision process, and compares the finite element calculation results with the experimental results to verify the reliability of numerical simulation of finite element software.

At last. numerical simulation method is used to analyze the influences of parameters, including the velocity and the mass of the ice, and the thickness of the ship plate. The plate plastic deformation and energy absorption are studied in the impact forces.

Key Words：Ice-ship collision test; ice material model; model test; numerical simulation; dynamic response

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题的背景、目的和意义 1

1.2 国内外冰船碰撞研究现状及方法 1

1.2.1 试验法 1

1.2.2 简化分析法 2

1.2.3 数值分析法 2

1.3 本文主要内容 3

第2章 冰体在刚体准静态压缩下的力学特性试验 5

2.1 概述 5

2.2 试验准备 5

2.2.1 试验设备 5

2.2.2 冰试样尺寸 6

2.3 试验过程及结果 6

2.3.1 试验过程 6

2.3.2 试验结果 6

2.4 本章小结 9

第3章 冰块与船体板碰撞试验 10

3.1 概述 10

3.2 试验准备 10

3.2.1 试验冰的制作 10

3.2.2 板材拉伸试验 11

3.2.3 测量仪器的设置 13

3.2.4 试验设备装置 15

3.3 试验过程及结果分析 16

3.3.1 试验过程 16

3.3.2 试验结果 17

3.3.3 结果及误差分析 22

3.4 本章小结 22

第4章 冰块与船体板碰撞数值仿真计算 23

4.1 概述 23

4.2 前处理 24

4.2.1 板的有限元模型 24

4.2.2 冰块的有限元模型 26

4.2.3 网格的划分 27

4.2.4 定义接触和初始条件 28

4.3 求解 28

4.3.1 求解基本参数的设定 28

4.3.2 K文件的处理 29

4.3.3 求解过程描述 29

4.4 后处理 29

4.5 数值仿真可靠性分析 32

4.6 本章小结 33

第5章 数值仿真参数分析 34

5.1 概述 34

5.2 初始碰撞速度的影响 34

5.2.1 板中心点变形 34

5.2.2 板内能的增加 36

5.3 冰块质量的影响 38

5.3.1 板中心点变形 38

5.3.2 板内能的增加 40

5.4 船体板厚度的影响 41

5.4.1 板中心点变形 42

5.4.2 板内能的增加 43

5.5 本章小结 45

第6章 结论与展望 46

6.1 结论 46

6.2 创新点 46

6.3 展望 47

参考文献 48

致谢 50

第1章 绪论

1.1 选题的背景、目的和意义

北极地区拥有丰富的自然资源，其中最为重要的资源是石油和天然气，因此北极又被称为“第二个中东”。据美国地质调查局估计，北极拥有全球未开发石油储量的13%；天然气储量约50万亿立方米，占全球未开发天然气的30%，仅20世纪60年代阿拉斯加普鲁度湾油田就勘探出可开采的原油100亿桶。天然气主要分布在北极的欧洲部分，其中俄罗斯北部的天然气储量至少有13万亿立方米。矿产方面，北极不仅拥有金刚石和金、银、铂等贵金属，以及铀、钚等放射性元素，还拥有世界上最大的锌矿和最大的铜铁镍复合矿，人们还在巴芬岛、科拉半岛、格陵兰岛发现了世界级的大铁矿^[1]。不久前在北冰洋底发现的海底热液，又为海底矿产增添了新的前景。另外，冷暖洋流交汇使巴伦支海、格陵兰海和白令海成为世界重要渔场。2018年1月26日，国新办召开了《中国的北极政策白皮书》发布会，给出了一个激动人心的消息：中国即将投入精力建设冰上丝绸之路。尽管北方航线有诱人的商业前景，但是基础设施的缺乏加上恶劣的自然环境让北极航线至少在短期内不具备商业上的可行性。其中，浮冰和可怕的冰山成为困扰船队最大的难题。北极浮冰为多年冰（multi-year ice多年生海冰），厚度可达3～5米，其中永久浮冰区面积高达平方千米，占北极海域最大海冰覆盖面积的一半以上。由于北极航运量的日益增加，发生船舶与浮冰的碰撞的可能性也增加。因此，研究浮冰与船体的碰撞对开发北极航线尤为重要。

1.2 国内外冰船碰撞研究现状及方法

由于船舶与浮冰的碰撞具有发生时间短，冲击载荷大，非线性等特点，因此计算比较复杂。目前关于船舶与浮冰的碰撞，国内外学者以及进行了大量的研究，其中研究方法有试验法、简化解析法和数值模拟法。

1.2.1 试验法

其中试验法主要为在中小尺度下的模型试验，并且不考虑船体的结构变形。Tabri^[2]等人应用弗汝德相似定律，进行了一系列模型尺度船舶碰撞试验，得出结论：小尺度下的模型实验与大尺度规模下的实验行为相同，并且实验结果遵循目前公认的运动幅度的受力情况。Kim^[3]等人基于能量共享法研究受影响的结构所经历的永久变形及冰块的失效。他们在实验室的试验也得出结论：实验室生产的冰的特性类似于淡水粒状冰，并且在一定程度上类似于冰山冰，但实验生产的冰颗粒特征及气泡的堆积与冰山冰不同。但由于实验条件以及出于安全考虑，试验法存在诸多局限性。

1.2.2 简化分析法

因为船舶碰撞的过程比较复杂，为了将其简化，Minorsky^[4]提出将碰撞过程中的力学机理分为两个部分：外部机理和内部机理。其中外部机理是分析船体的刚体运动以研究碰撞过程中的能量耗散问题；内部机理则重点分析碰撞过程中的结构响应。为了简化了冰-船碰撞模型，Liu和Amdahl^[5]等人将冰-船碰撞综合问题分解为外部机制和内部机制，并通过简化后的公式计算出冰-船碰撞过程中的能量耗散问题。Pedersen^[6]等人提出一种简化的均匀自由梁模型，用于估算船舶碰撞时船体全局弯曲振动的能量。Lebedev^[7]等人在研究Barents海域内的冰-船碰撞时，利用简化的数学公式分析海洋结构物与浮冰碰撞时的受力情况及结构的受损。Kierkegaard^[8]在研究船舶与冰山的碰撞时，将冰山作为刚体模型考虑，在此基础上提出一些数学公式计算船体结构的变形。Suyuthi^[9]等人通过建立几种概率模型来计算船体局部的冰载荷峰值，并且进行数值仿真验算模型的可靠性，并认为该模型可以作为极端载荷预测及船体疲劳损伤计算的基础。

1.2.3 数值分析法

近年来计算机技术发展迅速，利用有限元软件进行数值模拟成为更加经济和便捷的研究方法。例如，在利用LS-DYNA计算分析时有三种方法：Lagrangian法、Euler法及ALE法。这三种方法采用的不同的坐标体系，在实际中有不同的应用^[10]。Lagrangian法多用于固体结构的应力应变分析，这种方法以物质坐标为基础，用此方法描述的网格和分析结构是一体的，有限元节点即为物质点。Euler法以空间坐标为基础，使用这种方法划分网格和所分析的物质结构是相互独立的，网格在整个分析过程中始终保持最初的空间位置不动，有限元节点即为空间点，其所在空间的位置在整个分析过程始终是不变的，而材料在网格中流动。ALE法在结构边界运动的处理上引进Lagrangian法的特点，因而能够有效地跟踪物质边界的运动；其内部网格的划分利用了Euler法的特点，使内部网格单元独立于物质实体而存在，但与Euler网格不同之处在于其网格可以根据定义的参数，在求解过程中适当调整位置，使得网格不至于出现严重的畸变。

对于冰-船碰撞的数值模拟，建立冰的材料模型是研究的重点。Gagnon^[11]利用LS-DYNA建立可用于模拟冰与结构碰撞场景的数值模型。胡志强和高岩^[12]等人利用LS-DYNA研究冰块的不同局部形状对碰撞场景的影响。并得出结论：在不同的冰块局部形状条件下，船-冰碰撞的相互作用过程不同；较钝形状的冰块表现近乎刚体，较尖锐形状的冰块较易破碎。Liu^[13]等人提出一种具有压力依赖性和应变率独立性的冰材料模型，并且在数值模拟中产生相当好的结果。Zhu^[14,15]等人基于简化的冰-船碰撞模型的数值模拟，提出了冰影响因子(IIFD)和损伤能量减小率(DERR)。并且在利用LS-DYNA对浮板冲击下船板的动力响应进行了数值研究，得出结论：简化的碰撞模型可以有效地预测冰载荷和结构的动力响应。

在分析碰撞过程时有分解方法和耦合方法，前者认为船舶的运动与其结构的变形没有相互作用，后者则是考虑可能的相互作用在内，同时处理船舶碰撞的外部机理和内部机理。耦合方法在计算冰-船碰撞中的运动和结构响应时要更为准确，在进行流体-结构耦合的数值模拟时，有一些专家学者采用基于ALE法的有限元方法，例如LS-DYNA中的ALE流体-结构耦合技术。Gagnon^[16]等人利用LS-DYNA软件进行了满载油轮和冰山的碰撞的数值模拟，在模拟中，由于船舶体积巨大，所以接触时间可以忽略。其数值模拟结构与实验结构相一致，并且认为在今后的模拟中，可以适当将船舶受迫的运动也考虑在内。Brown^[17] 研究了船舶碰撞情景中随机变量对船舶碰撞预报的影响，通过简化碰撞模型(SIMCOL)来评估概率损伤程度对这些变量的敏感性。Mravak^[18]等人利用非线性有限元显示程序计算了由于冰山破碎和结构变形引起的内部碰撞过程中的能量吸收，计算并讨论了碰撞过程中的能量吸收曲线。

综合上述的研究发现，目前国内外的冰-船碰撞数值模拟计算正在飞快发展，但仍然需要通过一系列实验进行验证，尤其是对于实际极地冰块的特性的研究，是建立数值模型的重点。因此，本文将基于现有实验及数值模拟基础上，开展对冰体在刚体准静态压缩下的力学特性实验，建立合适的冰体模型。同时进行不同形状冰体与结构的碰撞试验，并将试验结果与数值模拟计算结果进行比对，优化现有数值模型。

1.3 本文主要内容

（1）收集国内外冰碰载荷作用下船体结构动态响应研究相关文献，了解国内外冰体与结构碰撞的试验方法和数值计算方法的研究现状；

（2）开展冰体在刚体准静态压缩下的力学特性试验，并利用ANSYS/LS-DYNA商业软件进行数值模拟，来对现有冰体材料模型参数进行修正，从而建立合适的冰体数值模型；

（3）建立船体板-冰碰撞的简化缩尺比模型，开展板结构与不同形状冰体的碰撞试验，分析碰撞过程中板的塑性变形、碰撞力以及冰体破碎损伤等动态响应；此外，并利用ANSYS/LS-DYNA商业软件进行相应的数值模拟，并将有限元计算结果与实验结果进行对比；

（4）利用数值模拟方法进行参数分析，分析浮冰速度和浮冰质量等碰撞参数等对浮冰与船体板碰撞响应的影响，并从船体板变形和结构吸能的角度分析其规律，可为极地船舶结构设计提供参考。

第2章 冰体在刚体准静态压缩下的力学特性试验

2.1 概述

为了建立合适的冰体数值模型，冰体的力学特性需要通过试验得到。材料强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力，冰的单轴压缩强度可通过试验得到，即：

(2.1)

式中：F为载荷-时间曲线上载荷最大值；A为冰体试样的受压截面面积。

冰是一种弹塑性材料，影响冰的压缩强度主要是应变速率和冰的尺寸。根据以往的文献资料可以总结到：

1. 冰的应变速率的不同会导致冰表现出不同破坏形式，包括有韧性性质、脆性性质和蠕变特性。相应的冰试样的破坏形式也各异，对于韧性破坏，试样多呈现侧向鼓胀破坏，无明显的主裂缝；对于脆性破坏，试样多出现剪切形式破坏，随之试样破碎；介于韧脆过渡区的，试样多呈现劈裂形式破坏，开裂多集中于一条主裂缝。随着应变速率的增加，冰的压缩强度会增大，当应变速率达到某一平均值后，冰的压缩强度达到最大值。之后随应变速率继续增加，冰强度值反而缓慢地降低。即随着应变速率的变化，冰的性质存在从韧性到脆性的转变过程^[19,20]。应变速率由下式计算得到：

(2.2)

式中：X为试验机的压头的位移速率；L为试样的原始高度。

1. 在横截面积一定的情况下，冰体的长度越长，冰体表现出来的峰值压缩强度越高；而在冰体长度一定的前提下，随着横截面积的增加，峰值压缩强度也会增加^[17]。

2.2 试验准备

2.2.1 试验设备

本文中用于冰体单轴压缩试验的主要设备为WE-100型万能材料试验机，其最大试验力为100kn，压头直径为120mm，压头下端面距底座上端面距离为289mm。该试验机采用数字化的检测系统，具有精度高、响应快、稳定性强、重复性好的优点。

2.2.2 冰试样尺寸

单轴压缩试验一共进行4组试验，所用的冰试件为圆柱体，其直径都为80mm，高度分别为160mm、180mm、220mm、240mm。制备冰试件的模具由三部分构成，上下是铁质夹具，中间是有机玻璃圆管。铁质夹具与有机玻璃圆管通过玻璃胶粘接。铁质夹具一方面可以保证冰试样的两端与压头平整接触，一方面夹住冰头的前段可以防止冰头与压头之间打滑。

在试验前，先将装满水的模具放入低温冰箱中，待模具中水完全结成冰后，将模具中的冰取出。由于水结冰后体积会增大，所以需要将圆柱体冰的两个端面刨削平整。测量并记录冰试件的质量。

2.3 试验过程及结果

2.3.1 试验过程

1. 用游标卡尺测量冰试件的直径并记录。
2. 将准备好的冰试件放入材料试验机的下压板上，并调整试件位置，使试件端部中心与下压板中心重合，以保证冰试件在受压时端面受力均匀。
3. 开动试验机并进行微调，使试件的接触面尽可能受压均衡。
4. 试验机加载速率设置为3mm/min，对试件进行连续均匀地加载，直至试件结构破坏，并记录下试验力-位移曲线，标出曲线上试验力的最大值。

2.3.2 试验结果

4组试验得到的试验力-位移曲线如下：

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