第48卷第12期 2020年12月
华中科技大学学报（自然科学版）
J. H u a z h o n g Univ. o f Sci. &Tech. (Natural Science Edition)
Vol.48 No. 12
Dec. 2020
D O I：10.13245/j.hust.201214
基于S P H-FEM方法的新型抗冰结构动响应研究 夏劲松刘俊杰董海波
(中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082)
摘要根据舰船原型结构板架模型，提出了新型抗冰结构板架模型，采用冻结冰模拟冰体，对两种板架结构在相 同冰体撞击下的结构动响应开展模型试验，并建立相应的光滑粒子流体动力学-有限元法(S P H-F E M)数值模型.通 过对试验结果和数值仿真结果的对比分析，验证了提出的新型抗冰结构型式的抗冰效 果，相同工况下结构最大变 形数值计算结果与模型试验结果的最大偏差为8.65%，冰体最大撞击力数值计算结果与模型试验结果的最大偏差为
5.11%，表明S P H-F E M数值仿真方法具有良好的工程适用性.
关键词抗冰结构：模型试验：数值仿真：结构响应：抗冰效果
中图分类号U661.43文献标志码A文章编号167丨-4512(2020> 12-0078-05
Dynamic response of new anti-ice structures based on SPH-FEM
XIA Jinsong LIU Junjie DONG Haibo
(China Ship Scientific Research Center, W u x i214082, Jiangsu China)
Abstract According to the ship's prototype structural slab model, a n e w ice-resistant structural slab m o d e l w a s proposed. T h e frozen ice w a s used to simulate the ice body. T h e m o d e l test w a s carried out on the d y n a m i c response of t w o slab structures under the impact of the s a m e ice body, a nd the corresponding s m o o t h particle hydrodynamics-finite element m e t h o d (S P H-F E M) numerical m o d e l w a s established. T h r o u g h the comparative analysis of test results
and numerical results, the anti-ice effect of the n e wly proposed type of ice-resistant structure w a s verified, under the s a m e working conditions, the m a x i m u m deviation between the numerical calculation result of the m a x i m u m deformation of the structure and the m o d e l test result is 8.65%, and the m a x i m u m deviation b e t ween the numerical calculation result of the m a x i m u m ice impact force and the m o d e l test result i s5.11%» indicating that the engineering applicability of S P H-F E M numerical simulation m e t h o d w a s verified.
K e y w o r d s anti-ice structure；m o d e l test；numerical simulation；structural response；anti-ice effect
舰船在冰区航行中会受到冰载荷作用，船-冰作 用模式多样，如：船首与大型层冰的冲撞式破冰，船首连续破冰时与大型层冰发生的准静态挤压，舰 船在碎冰区航行中与浮冰发生碰撞，以及舰船被困 冰区时受到的海冰冻结挤压作用等[1_3].冲撞式破冰 是利用船体动能使层冰破碎，须要以一定速度碰撞 冰体，舰船也会受到冰体的碰撞载荷.在该船-冰作 用模式下，船体壳板可能会被冰体撞击破裂，引起 舱室进水、威胁舰船安全，因此针对该船-冰作用模式下船体板架的抗冰性能进行研究很有必要.
关于舰船抗冰结构的已有研究只是采用传统有 限元方法(F E M)对提出的抗冰结构有效性进行验证，还未见采用动态模型试验结合光滑粒子流体动 力学-有限元法(SP H-F E M)数值仿真方法对结构抗 冰
效果进行验证的相关研究.文献[4]对冰区加强浮 式生产储油卸油装置(F P S O)船首与冰山碰撞进行了 数值仿真，建立的数值模型中忽略了流-固耦合的影 响.文献[5-6]对冰块与典型船体壳板碰撞进行了数
收稿日期2020-05-13.
作者简介夏劲松(1991-)，男，工程师，E-m a i丨：262003814@q q.c o m.基金项目装备预研船舶重工联合基金资助项目(61411304010102).
第12期夏劲松，等：基于S P H-F E M方法的新型抗冰结构动响应研宄•79 •
值仿真，提出了一种可以评估局部冰载荷的计算方 法，分析了不同碰撞接触面下船-冰碰撞引起的船体 损伤差异.文献[7]利用M S C.Dytran软件对破冰船 冲撞冰层的过程进行了数值模拟，对冲撞速度、撞 击角度及冰层厚度等参数对破冰船破冰能力的影响 进行了研究.文献[8]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数值仿真，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.文献[9]采用LS-D Y N A模拟了船首与 冰排碰撞的动态过程，分析了冰排厚度、运动状态 等碰撞参数对船-冰碰撞的影响规律.
在不增加船体结构质量、不影响船体其他性能 的前提下，采用新型抗冰结构能够减小船体在冰体 撞击下的壳板破损，对船体内部结构和仪器设备起 到防护作用.针对船体冲撞式破冰工况下的冰体撞 击
船首舷侧外板的典型船-冰作用模式，设计舰船原 型结构板架模型和抗冰结构板架模型，采用冻结冰 模拟冰体，对两种板架结构在相同冰体撞击下的结 构损伤开展模型试验，建立相应的SPH-F E M数值 模型，通过对试验结果和数值结果的对比分析，验 证提出的新型抗冰结构型式的抗冰效果，同时对 SPH-F E M数值仿真方法的工程适用性进行了验证.
1板架模型
板架模型的原型为某大型水面舰船左舷船肩水 线处的局部板架结构，如图1所示.考虑到模型试 验的主要目的是与原型对比来验证抗冰结构的有效 性，为了便于计算和模型加工，对应用对象进行了 简化，忽略外板曲率，简化后的模型原型如图2所
图2模型试验板架结构原型示，具体范围为：纵向1.5m，垂向2.8 m，肋骨间 距1.5m，纵骨间距0.34 m.
根据试验装置的限制，为便于对抗冰效果进行 对比，局部板架模型采取缩尺比为主尺度岑=1:3, 板厚毛=1:4.船体板架模型采用1.0 mx l.〇m的规 格.图3和图4分别给出了原型板架模型和抗冰板 架模型，两者的差别主要在纵骨型式上，前者采用 传统的角钢(42.00 m m x 1.75 m m/8.5 m m X3.3 m m)，后者采用方管型纵骨(20.00 m m x20.00 _X20.00 m m x 1.75 m m)，其他结构尺寸、板厚均相等.两种 板架结构均采用普通船用钢Q235制作.
图4抗冰板架结构模型图
冰体采用如图5所示的结构，横截面形状类似 楔形，撞头作圆弧处理，冰体长345 m m，宽200 m m，高360 m m，顶部通过内部冻结钢板与试验机基座刚 性连接，保证加速度传感器测得真实的冰体撞击力.
图5冰体模型图(m m)
为了防止冰体完全撞碎后试验平台碰撞到板架 结构，采用如图6所示的卸力装置(卸力弹簧)，卸力 弹簧的顶部距离板架受撞面垂直高度为10 m m
metropolis准则
.
• 80 •华中科技大学学报（自然科学版）第48卷
、试验撞击机
--撞击冰体
2模型试验
2.1模型安装
考虑到实际试验中的工装问题，对设计模型作 以下处理：a.板架壳板由于工装需要，各向外延伸 3〇m m，以方便焊接；b.加强筋(肋骨和纵骨)两端 各减少10 m m，防止板架受撞变形、卡住工装难以 拆卸，即加强筋长度为980 m m.
图7为试验平台基座示意图，板架四边采用焊 接方式与底座连接，保证足够强的刚性约束，也降 低仿真模拟时边界模拟的复杂性.此外，焊接过程 应尽量减少因热影响而产生的结构塑形变形且保证 模型与撞头的对中.
參
图7试验支座示意图
2.2试验工况
模型试验的主体高6.3 m，锤头最大提升高度为 3.7 m，锤体可以在0.0〜3.7 m范围内任意调节高度 下落，最大撞击速度可达到8.5 m/s，该速度基本可 以满足船舶碰撞、搁浅及船-冰碰撞问题的研宄需 求.锤体系统最大质量为1 350 kg，包含12个12.5 k g的配重块，可以调节落锤的撞击质量.本试验中 冰体与落锤的总质量为(1 350.00+17.15) kg，冰体从 3.2 m高度处坠落.
3 SPH-FEM数值模型
传统有限元分析软件的核心是将分析对象划分 为有限个网格，并赋予网格之间一定的计算准则.然 而该方法在描述大变形问题中会遭遇网格扭曲和畸 变而导致计算终止，虽然现有的侵蚀技术可以克服畸变现象，但会导致能量损失和物质边界的改变.难 以精确捕捉物质界面和跟踪材料的历史数据是有限 元网格方法处理高速冲击问题一直难以克服的问 题，为解决此类问题，一种无网格划分的计算方法 被开发出来.光滑粒子流体动力学法（5?印[1(^]是 一种无网格拉格朗日粒子法，同时具有无网格、自适应、积分函数、紧支性、稳定特性的拉格朗曰动 力学求解方法.
真实的海冰材质复杂，其本构关系难以描述，冰体在撞击板架过程中有大变形现象，导致在碰撞 分析中难以对冰建立准确的数值模型.高速冲击下 的冰涉及高应变率的问题，当应变率增加时冰会经 历一个由籾性转为脆性破坏的转变过程.如何较准 确模拟冰的失效破坏和确保结构响应的可参考性，冰的数值模型尤为关键.由于冰材质的复杂性，因此在数值模拟中假定冰是一种典型的弹塑性材料，本研宄
采用文献[12-13]提出的带有失效模式的高应 变率的冰数值模型.冰的材料模型采取各向同性弹 塑性材料模型，材料参数、状态方程及冰的应变率 灵敏度等参照文献[13-15].根据冰体力学性能测试 试验，得出抗压强度为2.47 M P a，压缩弹性模量为 618.28 M P a.
冰体撞击板架的SPH-F E M数值模型如图8所 示.为了与模型试验实际工况相近，板架四周采用 固支约束；依据冰体落体高度，施加相应的初始速 度；通过改变冰体的密度，使得冰体的质量等于模 型试验中冰体与落锤的总质量1 367.15 kg.
东风汽车公司电视台♦
图8冰体撞击板架数值模型
4结果比较分析
本研究从板架结构变形和撞击力两个方面对数 值仿真与模型试验结果进行比较分析.
4.1板架结构变形对比分析
图9给出了冰体撞击原型板架的结构变形数值 计算结果，模型试验测得的壳板凹陷变形结果如图 10所示.可以看出：板架壳板变形数值计算结果与 模型试验结果反映出的结构变形规律基本一致，壳
板中心受撞部位的变形量最大，板架中央纵向凹陷
第12期夏劲松，等：基于S P H -F E M 方法的新型抗冰结构动响应研宄
•81 •
7.4SF1
謙 c . "
29.9 iu
華：
74 77
图9原型板架结构变形数值仿真计算结果(标单位：_)
A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A1
图〗〇原型板架结构变形模型试验结果(标单位：m m )
范围要比横向明显，这是由冰体撞头形状决定的.壳 板变形量由受撞区向四周逐渐减小，数值仿真壳板 最大变形结果为74.77 m m ，模型试验结果为80.43
m m ，以模型试验结果为准，数值仿真计算结果相差
7.04%.
图11给出了冰体撞击抗冰板架的结构变形数值 计算结果，模型试验测得的壳板凹陷变形结果如图 12所示.可以看出抗冰结构壳板变形与原型板架壳 板变形特征相似，数值仿真壳板最大变形结果为 70.30 m m ，模型试验结果为76.96 m m ，以模型试验 结果为准，数值仿真计算结果相差8.65%.
rna干扰对结构变形数值计算结果和模型试验结果进一
■
-1
-28.12!
-49.2 ll -70.30 ■
图11抗冰结构板架变形数值仿真计算结果(标单位:mrr 〇
步进行对比，图13和图14分别给出了两种板架受 撞区中间纵骨变形模型试验结果，可以看出：模型 试验得到的纵骨变形模式、变形区域基本相同，原 型板架纵骨发生屈服，纵骨腹板已经失稳并且倾倒， 基本丧失承载能力；新型抗冰结构型式(方管型纵骨) 只发生了屈服变形，并未发生倒塌现象，仍具备一 定的承载能力，表明该结构抗冰撞能力要优于原型
结构，因此数值仿真可以较为精确地模拟冰体撞击 下的船体结构变形.
图13原型板架纵骨变形模型试验图
图14抗冰结构板架纵骨变形模型试验图
4.2撞击力对比分析
采用数值方法对冰体撞击力输出时，输出时间 步为0.1 m s ；模型试验的采样频率为lx 1〇4 H z ，时 间步为0.1 m s .为了对数值仿真和模型试验结果进 行对比，将模型试验中撞击力产生明显波动时刻与 仿真计算中冰体与板架接触时刻对应，得到如图15 和图16所示的撞击力(F )曲线对比图.
从图15和图16可以看出：数值仿真和模型试 验的冰体撞击力的响应特征基本相同，冰体撞击板 架的主要过程持续时间约为60 m s ，撞击力具有明 显的非线性现象.撞击力整体呈现从小到大，然后
图12抗冰结构板架变形模型试验结果(标单位：m m )图15
冰体撞击原型板架撞击力对比图
• 82 •
华中科技大学学报（自然科学版)
第48卷
图16冰体撞击抗冰结构板架撞击力对比图
变小的过程，这是由于冰体接触面积从小增大，撞 击力增大，然后由于冰体速度降低，撞击力逐渐减 小；模型试验在〇.〇6s 后还存在震荡现象，这是由 于在冰体基本破碎后锤头两端与卸力弹簧接触后产 生的.冰体撞击原型板架结构的撞击力最大数值仿 真计算结果为341.22 k N ，模型试验结果为359.58
k N ，以模型试验结果为准，数值仿真计算结果相差 5.11%；冰体撞击抗冰结构板架的撞击力最大数值仿 真计算结果为365.58 k N ，模型试验结果为373.39
k N ，以模型试验结果为准，数值仿真计算结果相差 2.09%.数值仿真与模型试验结果对比表明数值仿真 能够反映船-冰碰撞过程中作用力特征，该方法可用 于工程实际.
5结论
a .
冰体撞击船体板架属于动态响应过程，由于
冰体本身的脆断性，冰体撞击载荷作用过程持续时 间较短，大约几十毫秒.冰体撞击载荷时域曲线非 线性特征非常显著，撞击力曲线有多处明显的峰值 卸载现象，这是由于冰体的失效破坏引起的.
b .
相同工况下抗冰结构板架较原型板架结构
变形要小，新型抗冰结构(方管型纵骨)较原型结构 具有更好的抗冰撞能力，验证了抗冰结构的抗冰效 果•
c . 通过数值计算结果与模型试验结果的对比分 析，相同工况下结构最大变形数值计算结果与模型 试验结果的最大偏差为8.65%，冰体最大撞击力数值 计算结果与模型试验结果的最大偏差为5.11%，验证 了 SPH -F E M 数值仿真方法的工程适用性.
参考文献
[1] X U Y , H U N Z Q , C H E N G , et al. O v e r v i e w of the
investigating m e t h o d s for ship-ice interaction analysis [J]. Journal of Ship Mechanics, 2019, 23(1)： 10-15.
[2]
总和生育率张淼溶.冰载荷作用下船体结构抗碰撞挤压性能研宄
[D ].镇江：江苏科技大学图书馆，2014.[3]
陈聪.冰撞载荷作用下船体结构抗冲击设计研宄[D ].镇
江：江苏科技大学图书馆，2015.
wap服务[4]
L I U Z H , A M D A L J, L O S E T S. Integrated numerical analysis of an iceberg collision with a foreship structure [J]. M a r i n e Structures, 2010, 22(2)： 1-19.
[5] Z H U L , Y A N M J , Y U T X , etal. D y n a m i c analysis of ship plates under ice floes impact[C]//Proc of International Conference o n Collision and G r o u n d i n g of Ships and Offshore Structures. U l s a n ： [s.n.], 2016： 268-272.
[6]
Z H U L ，Q I U X M ，C H E N M S ，et al. Simplified ship-ice collision numerical simulations[C]//Proc of the 26th International O c e a n a nd Polar Engineering Conference. Rhodes, G r e e c e ： [s.n.], 2016： 1192-1196.
[7]
王林，刘星.破冰船冲破冰层的有限元数值仿真研宂
[J ].中国水运，2014，14(5): 62-64.
[8]
张充霖.冰载荷作用下船首结构碰撞数值仿真计算与
分析[J ].中国海上油气，2014，26(1): 6-10.
[9]
张健.冰载荷作用下船舶结构动态响应及损伤机理 [M ].北京：国防工业出版社，2015.
[10]
桂洪斌，胡志宽.基于S P H 法的冰与船舶螺旋桨碰撞
数值模拟[J]•船舶力学，2018, 22(4): 425-433.
[11]
齐雅薇.基于S P H 方法的船-冰相互作用仿真分析研究
[D ].哈尔滨：哈尔滨工程大学图书馆，2016.
[12] C A R N E Y K S, B E N S O N D J, D U B O I S P, et al. A high
strain rate m o d e l with failure for ice in L S -D Y N A [C ]// Proc of the Ninth International L S -D Y N A Users Conference. D e a r b o r n ： [s.n.], 2006： 4-6.
[13]
C A R N E Y K S, B E N S O N
D J, D U B O I S P, et al. A phenomenological high strain rate m o d e l with failure for ice[J]. International Journal of Solids an d Structures. 2006, 43(25)： 7820-7839.
[14] K E E G A N M H , N A S H D , S T A C K M . Numerical
modelling of hailstone impact on the leading edge of a w i n d turbine b l a d e [C ]//E W E A A n n u 关敏卿
a l W i n d Energy Event 2013. V i e n n a ： [s.n.], 2013： 1-13.
[15] H U Z K , G U I H B, X I A P P , etal. D y n a m i c response
analysis of the collision b e t w e e n ice and propeller at high
speed[C]//Proc of the Society for Underwater Technology Conference (S U T T C 2013) . Shanghai ： Society for U n d e rwater Technology Technical Conference* 2013：
72-76.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议