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[摘 要]近年来，在北极航道开通，船舶航行时与海冰碰撞的风险增加。本文基于船舶与海冰碰撞的结构安全性考虑，主要研究分析了船舶和海冰碰撞的主要影响因素。并以苏伊士型油轮为碰撞对象，利用有限元模型和显式动力分析软件LS-DYNA来模拟船舶与海冰碰撞，分析了碰撞速度、海冰质量、碰撞角度等对碰撞的影响。
[关键词]船舶；碰撞；海冰；LS-DYNA
中图分类号：U663.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）07-0092-01
1 数值仿真模型
1.1 碰撞模型
本文船体材料模型采用的是塑性随动模型，海冰材料模型为各向同性弹性断裂模型，运算过程中使用缩减积分和沙漏控制方法[2]。为了模拟大片海冰的情形，本文参考了DNV对数值模拟冰块所推荐的三种海冰模型，将海冰设计为方形体[3]。同时，通过试算碰撞模型，将碰撞时间设置为0.5s。
2 数值仿真结果及分析
2.1 撞击速度
设置不同碰撞速度，来研究撞击速度对船舶结构性能的影响，并将其他变量设为一致。
（1）碰撞力曲线呈现明显的非线性特征，局部出现明显的峰值点，峰值点后的卸载现象对应着海冰或者船体结构部件的崩溃失效。海冰破碎断裂之后与船舶之间的碰撞力会突然降低，随着船舶的前进，船舶会接着和海冰发生碰撞，碰撞力又会随之回升。船体构件崩溃后，一些单元发生失效，碰撞力也会突然下降。（2）船舶速度增大时，最大碰撞力会增大。
圖1表示碰撞过程中，结构内能随时间变化的曲线，由图可以得出以下结论：
（1）结构的吸能随船舶速度的增大而增大，每条曲线相对平缓的部分表明这段时间内海冰破碎。（2）当船速较大时碰撞产生的能量是速度较低时的数倍，并且还有上升的趋势，当速度较小时，内能曲线明显开始平缓，说明碰撞已经趋于稳定。因此，速度对碰撞造成的影响非常巨大。
2.2 海冰厚度
考虑到不同时期海冰厚度即重量会有所变化，进而对船舶结构的损害不同，考虑将海冰厚度当做变量来研究。
通过观察图2中不同海冰厚度下船舶与海冰碰撞力-时间曲线，可以看出：
（1）最大碰撞力随着海冰厚度的增大而增大，且其变化与海冰厚变化成非线性关系。（2）随着海冰厚度的增加，最大碰撞力出现的越来越早。（3）碰撞力曲线走势基本相同，呈现非线性特征，各峰值对应碰撞区域构件失效。
通过图3中不同海冰厚度碰撞内能-时间曲线，可以看出：
（1）随着海冰厚度的增大，船体吸收能量随之增大，船舶受到的结构损坏也相应增大，需要考虑的结构加强位置增多。
2.3 碰撞角度
根据以往的研究经验，碰撞角度是船舶碰撞的重要影响因素之一。本文中选取了不同的几个碰撞角度来进行代表性研究。
2.4 构件的吸能情况
碰撞部位的外板、各层平台和中纵舱壁和等结构吸收了绝大多数能量。其中对塑性变形能贡献最大的是船首外壳。碰撞刚开始的时候，外板吸收的能量几乎和总能量相等，说明此时主要是外板发生变形来吸收能量。随着碰撞深入，中纵舱壁和靠近碰撞区的各层平台板发生变形，吸收了部分能量。可见首部结构的碰撞损伤具有局部性质，主要是直接参与碰撞的部位吸收能量，远离碰撞区结构吸能较少，因此冰区航行船舶可以着重加强直接碰撞区域的结构补强。
3 结论
（1）船舶与海冰相撞时，最大碰撞力和内能随速度和海冰重量以及碰撞角度的增大而增大。（2）船冰碰撞的碰撞力曲线呈现明显的非线性，由于海冰为脆性材料，在破碎之前表现为刚性，因此其应力达到破段压力时失效，引发卸载，随着船舶前进，这种现象反复出现，从而出现碰撞力与时间曲线反复震荡。（3）船与海冰碰撞具有局部性质，船首结构中抵抗碰撞的主要构件是船首外壳板、中纵舱壁和各层平台板。
参考文献
[1] 何伟.基于ANSYS/LS-DYNA的船舶与冰碰撞研究[D].大连：大连海事大学，2013.
[关键词]船舶；碰撞；海冰；LS-DYNA
中图分类号：U663.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）07-0092-01
1 数值仿真模型
1.1 碰撞模型
本文船体材料模型采用的是塑性随动模型，海冰材料模型为各向同性弹性断裂模型，运算过程中使用缩减积分和沙漏控制方法[2]。为了模拟大片海冰的情形，本文参考了DNV对数值模拟冰块所推荐的三种海冰模型，将海冰设计为方形体[3]。同时，通过试算碰撞模型，将碰撞时间设置为0.5s。
2 数值仿真结果及分析
2.1 撞击速度
设置不同碰撞速度，来研究撞击速度对船舶结构性能的影响，并将其他变量设为一致。
（1）碰撞力曲线呈现明显的非线性特征，局部出现明显的峰值点，峰值点后的卸载现象对应着海冰或者船体结构部件的崩溃失效。海冰破碎断裂之后与船舶之间的碰撞力会突然降低，随着船舶的前进，船舶会接着和海冰发生碰撞，碰撞力又会随之回升。船体构件崩溃后，一些单元发生失效，碰撞力也会突然下降。（2）船舶速度增大时，最大碰撞力会增大。
圖1表示碰撞过程中，结构内能随时间变化的曲线，由图可以得出以下结论：
（1）结构的吸能随船舶速度的增大而增大，每条曲线相对平缓的部分表明这段时间内海冰破碎。（2）当船速较大时碰撞产生的能量是速度较低时的数倍，并且还有上升的趋势，当速度较小时，内能曲线明显开始平缓，说明碰撞已经趋于稳定。因此，速度对碰撞造成的影响非常巨大。
2.2 海冰厚度
考虑到不同时期海冰厚度即重量会有所变化，进而对船舶结构的损害不同，考虑将海冰厚度当做变量来研究。
通过观察图2中不同海冰厚度下船舶与海冰碰撞力-时间曲线，可以看出：
（1）最大碰撞力随着海冰厚度的增大而增大，且其变化与海冰厚变化成非线性关系。（2）随着海冰厚度的增加，最大碰撞力出现的越来越早。（3）碰撞力曲线走势基本相同，呈现非线性特征，各峰值对应碰撞区域构件失效。
通过图3中不同海冰厚度碰撞内能-时间曲线，可以看出：
（1）随着海冰厚度的增大，船体吸收能量随之增大，船舶受到的结构损坏也相应增大，需要考虑的结构加强位置增多。
2.3 碰撞角度
根据以往的研究经验，碰撞角度是船舶碰撞的重要影响因素之一。本文中选取了不同的几个碰撞角度来进行代表性研究。
2.4 构件的吸能情况
碰撞部位的外板、各层平台和中纵舱壁和等结构吸收了绝大多数能量。其中对塑性变形能贡献最大的是船首外壳。碰撞刚开始的时候，外板吸收的能量几乎和总能量相等，说明此时主要是外板发生变形来吸收能量。随着碰撞深入，中纵舱壁和靠近碰撞区的各层平台板发生变形，吸收了部分能量。可见首部结构的碰撞损伤具有局部性质，主要是直接参与碰撞的部位吸收能量，远离碰撞区结构吸能较少，因此冰区航行船舶可以着重加强直接碰撞区域的结构补强。
3 结论
（1）船舶与海冰相撞时，最大碰撞力和内能随速度和海冰重量以及碰撞角度的增大而增大。（2）船冰碰撞的碰撞力曲线呈现明显的非线性，由于海冰为脆性材料，在破碎之前表现为刚性，因此其应力达到破段压力时失效，引发卸载，随着船舶前进，这种现象反复出现，从而出现碰撞力与时间曲线反复震荡。（3）船与海冰碰撞具有局部性质，船首结构中抵抗碰撞的主要构件是船首外壳板、中纵舱壁和各层平台板。
参考文献
[1] 何伟.基于ANSYS/LS-DYNA的船舶与冰碰撞研究[D].大连：大连海事大学，2013.