船舶舷侧与小型冰山碰撞数值模拟分析

[目的]研究船舶舷侧结构与小型冰山的碰撞问题。[方法]基于罚函数法和任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法建立非线性有限元分析模型,针对某油船的船体双层舷侧结构与球形冰山的相互作用过程进行数值模拟,考虑船体结构的变形、海冰的破坏以及碰撞过程中的水动力作用,分析不同碰撞角度对碰撞速度、碰撞力以及结构能量吸收的影响。[结果]结果表明:该数值模型可以较为充分地模拟舷侧结构与冰山的相互作用过程,在碰撞过程中,其碰撞力的峰值与碰撞角度及冰山是否破碎情况有关;碰撞力峰值随着碰撞角度的增大而增大,相对于其他角度的碰撞,在冰山的垂直碰撞情况下,流体对于冰山的速度有着较为明显的衰减作用;在舷侧各结构构件中,舷侧外板为碰撞过程中主要的吸能构件,且当冰山发生破碎时,因在破碎过程中会消耗能量,结构吸能会相对减少,故碰撞力的增幅会小于未破碎情况。[结论]为保证极地航行船舶的安全,可以适当增加舷侧结构强度,并在遭遇冰山时避免大角度的碰撞。     

船舶抗冰碰撞舷侧结构加强方案及优化设计

本文介绍了船-冰碰撞数值仿真中涉及的关键技术,以船舶肩部舷侧区域与棱角冰发生碰撞作为计算工况,对所选船舶舷侧与冰体碰撞进行数值仿真,根据舷侧响应特征指出其进行结构加强的必要性。由此提出几种舷侧常规加强方案,通过分析各自与冰体接触区域船体外板上受到的平均应力以及碰撞过程中船体结构发生塑性破坏的程度,指出结构仍然存在的问题以及后续加强的方向。最后,设计了2种新型舷侧结构并对其进行优化,验证了其具有较优的抗冰碰撞性能,得到了抗冰碰撞舷侧结构设计的相关结论。     

船舶抗冰碰撞舷侧结构加强方案及优化设计

本文介绍了船-冰碰撞数值仿真中涉及的关键技术,以船舶肩部舷侧区域与棱角冰发生碰撞作为计算工况,对所选船舶舷侧与冰体碰撞进行数值仿真,根据舷侧响应特征指出其进行结构加强的必要性.由此提出几种舷侧常规加强方案,通过分析各自与冰体接触区域船体外板上受到的平均应力以及碰撞过程中船体结构发生塑性破坏的程度,指出结构仍然存在的问题以及后续加强的方向.最后,设计了2种新型舷侧结构并对其进行优化,验证了其具有较优的抗冰碰撞性能,得到了抗冰碰撞舷侧结构设计的相关结论.     

基于内聚力接触法的船舷侧-平整冰相互作用数值模拟

针对极地航行船舶与平整冰碰撞挤压的典型场景，采用内聚力接触法模拟平整冰与舷侧碰撞发生挤压破坏的过程，构造粗糙化单元表面模拟冰与结构物表面的非同时接触，选取均匀化冰体单元描述冰的微裂纹扩展和挤碎的过程。在此基础上，分析不同碰撞场景下舷侧局部载荷的分布规律，并对舷侧结构变形和吸能结果进行分析。仿真结果表明：局部载荷的大小与碰撞速度的关联性不强；在平整冰与舷侧碰撞过程中，纵骨对结构抵抗外载荷并保持稳定的贡献较大。     

冰区加强LNG船舷侧抗撞性能仿真研究

航行于北冰洋海域的LNG船必须具备抵抗冰山撞击的能力。针对LNG船纵骨架式和横骨架式冰区结构加强方案,开展比较分析,评价LNG船舷侧抵抗冰山撞击的能力。根据CCS规范对LNG船舷侧分别进行纵骨架式与横骨架式冰区加强设计。利用有限元数值仿真技术和LS_DYNA软件,模拟冰山撞击LNG船舷侧场景,得到船体结构变形、碰撞力和能量吸收等结果。研究发现：横骨架式在相邻强横肋位之间结构较弱,纵骨架式表现出更好的抗冰撞击性能;冰带加强骨材在抵抗冰载荷过程中发挥重要作用;在提高抗冰撞击性能的前提下,纵骨架式加强方案拥有更佳的经济效益。     

撞击参数对舷侧结构的失效模式分析

碰撞载荷下船舶结构的变形与失效一直是业界的研究热点,但以往的研究并没有深入分析舷侧结构的失效形式。本文通过对各种不同撞击参数舷侧结构碰撞模式的数值模拟,分析了舷侧结构的失效模式。结果表明,船舶碰撞载荷下舷侧结构失效主要体现在局部塑性变形,甲板手风琴式撕裂,外板撕裂,以及横框架的屈曲。     

船-冰碰撞载荷下3种舷侧结构耐撞性分析

为探究船-冰碰撞载荷下横骨架式和纵骨架式2种船体结构的耐撞性能,利用MSC/PATRAN软件建立油船及冰体有限元模型,运用非线性有限元软件Dytran对船中舷侧结构与冰体棱角发生碰撞进行仿真。通过2种舷侧结构的船体与冰体碰撞,对比不同船体结构的损伤变形、碰撞力和能量吸收的差异,探究各种船体结构的优劣性。利用不同船体结构的优劣性能对现有的2种船体舷侧结构进行改进,合理布置横骨材、纵骨材的数量及尺度,在船舶总质量改变不大的前提下,采用优化混合骨架设计结构方法提高舷侧结构的耐撞性能。计算结果表明,该方案对冰区船舶结构加强具有重要的参考意义,可为提高冰区船舶耐撞性设计提供建议。     

考虑预加水压力的船冰碰撞动态结构响应研究

针对水介质环境及水介质环境下速度、角度对船舶的结构响应影响机理,利用船舶CFD技术及非线性有限元法模拟水介质中的船-冰碰撞。对比研究船舶在有、无水介质环境下结构响应特性及水介质环境下不同速度、角度的动态结构响应特性,揭示了船舶在不同工况下的损伤变形及碰撞力规律,得到了有、无水介质环境、碰撞速度、碰撞角度等因素对船-冰碰撞的影响机理,为船舶抗冰载荷设计提供参考。     

基于ANSYS/LS-DYNA的船冰碰撞数值分析

在极地海域复杂环境下,船舶在长距离航行中一旦与冰山或大冰块发生碰撞,极短时间内会产生巨大的冲击载荷,可能造成非常严重的海上事故等。运用有限元分析法,借助有限元分析软件ANSYS/LSDYNA对相关船舶球鼻艏与冰的碰撞情况进行数值分析,得到船舶球鼻艏结构的能量-时间关系曲线,以及碰撞力-时间关系曲线,并对各种碰撞参数所导致的结果进行定性的分析和讨论,得到不同初速度的船与冰碰撞以及不同吨位的船与冰碰撞对船舶球鼻艏破损情况的影响,对船冰碰撞领域的研究有一定的指导意义。     

计及船体梁载荷影响的船舶舷侧结构碰撞性能

以被撞船舷侧结构作为研究对象,建立了两船发生侧向对中垂直碰撞的非线性有限元模型。并以此为基础,进行了被撞船舷侧结构碰撞数值仿真研究,得到了能量-碰撞船位移以及碰撞力-碰撞船位移的关系曲线;研究了预载荷对船舶舷侧结构碰撞性能的影响。数值仿真结果表明,由于船体梁载荷的作用,船舶结构碰撞性能受到一定程度的削弱。     

计及结构变形能的冰载荷快速计算方法

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。     

冰区航行船舶冰阻力数值研究进展

冰阻力是影响船舶在冰区航行性能的关键因素。当前主要的冰阻力研究方法有经验公式法、模型/实船试验法和数值模拟方法。数值模拟方式能够对船舶破冰的全过程进行快速模拟，且模拟成本低，参数易于控制 、结果较为准确，是一种比较适宜的冰阻力预报方法。随着计算技术的进步，各种数值模拟方法层出不穷，其中包括基于网格单元的有限元模型，基于无网格方法的离散元模型、SPH法、近场动力学模型等；近年来，网格模型与无网格模型的耦合方法也逐渐发展起来。文章简要梳理了冰区航行船舶冰阻力数值研究的进展，并基于研究现状提出尚需进一步解决的问题，意在为进一步提高冰阻力数值模拟精度提供参考。     

基于SPH法的冰与船舶螺旋桨碰撞数值模拟

在结冰海域航行的船舶螺旋桨会因受到冰块的撞击而出现严重的损坏。该文建立了冰—桨碰撞计算模型,冰模型采用SPH(光滑粒子流体动力学)法,运用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA数值模拟了螺旋桨与冰在不同速度、位置下碰撞和螺旋桨与不同半径冰碰撞下的动态响应。对比研究了在以上单一碰撞因素下桨的变形、单元最大应力以及碰撞过程中产生的碰撞力等响应差异,定性地得出上述因素对冰—桨碰撞的影响规律,为船舶螺旋桨抗冰性能的结构设计提供参考。     

船舶-小型冰山碰撞响应计算及损伤分析

针对船舶与小型冰山的碰撞响应问题,综合考虑内部动力和外部动力,根据非线性有限元和冲击力学理论,依次求得船体与冰山变形所需变形能和碰撞系统的耗散能,探究舷侧在不同位置与冰山碰撞后的结构响应,分析损伤变形、碰撞力和变形能变化等特性。结果表明,碰撞力撞深曲线呈现高度非线性的特征,而且碰撞力呈波动上升;舷侧各构件中,外板以变形能的形式吸收了大部分耗散能。     

水介质中船体板架模型与冰体碰撞试验研究

本文初步引入了对船冰碰撞过程中水介质存在作用的思考,来验证船-水-冰耦合碰撞数值仿真方法的合理性和可行性以及深入研究水介质中船体与冰体碰撞的结构响应问题。文中以某实船舷侧板架为研究对象,以缩尺比1:10加工模型,在水池中测得不同速度冰体撞击板架过程中板架结构各部位的应变值以及板架变形量;建立与模型试验相同的板架与冰体模型,进行数值仿真,将试验和仿真计算获得变形及应力峰值作对比,从而总结出不同撞击速度对船-水-冰耦合碰撞结果的影响规律。     

舷侧齿型纵桁耐撞性初探

船舶碰撞通常导致船舱进水或变形、海洋环境污染以及人员伤亡等后果.为提高船舶舷侧的耐撞性,以某双壳油船舷侧为研究对象,设计一种齿型纵桁,并将其与传统舷侧结构相结合,形成一种新型舷侧结构.采用数值仿真软件建立舷侧模型,选取舷侧3个典型位置,对比新旧结构的吸能能力、碰撞力峰值和极限撞深.数值仿真结果表明:齿型纵桁舷侧结构具有较好的耐撞性.     

小型船舶的舷侧抗冲击结构研究

随着人类对海洋资源开采与利用率的不断增加,海上航线的密度增大,再加上气象、人文因素等导致船舶碰撞事故频繁发生。船舶碰撞事故往往会造成船体结构破坏、燃油泄漏、人员伤亡等严重后果,因此,研究船舶的舷侧抗碰撞冲击结构有重要的作用。本文的研究对象主要是小型舰艇的船舷结构,利用有限元仿真技术和模拟数值计算,分析和设计了小型舰艇的抗冲击结构,有效地改善了小型舰艇舷侧的抗冲击性和安全性。     

不同敏感性参数下船舶-碎冰碰撞的船体结构响应

基于我国第七次北极科学考察获得的夏季北极海冰空间分布情况,模拟真实碎冰分布,采用LS-DYNA软件中的流固耦合方法,研究在船舶航速、碎冰尺度、碎冰厚度及碎冰密集度等因素影响下船舶-碎冰碰撞的船体结构响应。结合试验数据得到船体结构的应力、吸能和碰撞力。结果表明：船舶-碎冰的主要碰撞区域为艏部及舷侧的水线附近;在船舶航行于碎冰域时,船体结构的应力、吸能和碰撞力的峰值随碎冰域的船舶航速、碎冰尺度、碎冰厚度及碎冰密集度的增加而增加,但分布情况不同。研究结果为船舶在极地冰区航行提供一定的安全性参考。     

船冰碰撞载荷下船舶结构加强方案研究

为了探究水介质对船—冰碰撞结构响应的影响,文章首次对考虑水介质中的船—冰碰撞问题进行了研究。模拟了船舶与冰体在水介质中的碰撞场景,研究船—水—冰三者共同耦合作用对船—冰碰撞的影响。将该计算方法应用于船—冰碰撞的多种工况计算,对比分析了增加外板厚度、横隔板厚度以及肋骨间距等多种加强方案对船体结构响应的差异。揭示了碰撞区域的损伤变形、碰撞力、结构吸能随外板厚度、横隔板厚度和肋骨间距的变化而变化的规律,分析了船舶肩部各主要构件对于抵抗冰载荷作用的能力及贡献。所得结论对于进行冰区船舶结构设计具有参考作用。     

船首形状对舷侧结构碰撞性能的影响研究

船舶碰撞问题一直是船舶力学界研究的热点,但以往的研究并没有深入分析各类船舶的不同艏部形状对碰撞性能所产生的影响.为此利用数值仿真软件MSC/Dytran,对具有不同曲率的球鼻型船首和不同张角的常规船首撞击下舷侧结构的碰撞性能进行了定量的比较研究.结果表明,撞击船首部形状对被撞船舷侧结构的碰撞性能产生显著的影响,撞击船球鼻曲率形状参数越小或艏部张角越大,舷侧结构极限撞深提高,碰撞力增大,极限撞深时的吸能增多.