油船极地航行与浮冰碰撞动响应特性研究
发布时间：2021-08-12 08:17
本文采用数值仿真方法研究某PC4级油船在极地碎冰区航行时船首与浮冰发生碰撞时的动响应特性,考虑碰撞引起的冰-水耦合作用,分析浮冰形状及碰撞位置对船体结构响应、船-冰碰撞力特性的影响,研究不同碰撞工况下船体外板的应力分布和冰体破损特征,对油船极地冰区航行操作规程的制定及抗冰结构设计具有指导作用。
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(23)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
浮冰类型Fig.3Typeoffloatingice
一种为船首与块状浮冰边缘中部发生碰撞。因此，本文船舶与浮冰碰撞场景分为5种工况，各工况的定义如表4和图5所示。表4船舶与浮冰碰撞工况表Tab.4Collisioncasetable工况编号场景描述浮冰边长（半径）/m浮冰质量/kg浮冰厚度/m工况1船首与圆形冰面浮冰边缘接触7.5190.91.2工况2船首与正方形冰面浮冰边缘接触13.293工况3船首与正方形冰面浮冰尖端接触13.293工况4船首与正五边形冰面浮冰边缘接触10.135工况5船首与正五边形冰面浮冰尖端接触10.135图5船舶与浮冰碰撞工况图Fig.5Collisioncasepattern3计算结果分析本文模拟了该PC4级极地油船从船首尖与浮冰接触开始后5s时间内的船-冰碰撞动态过程，分别对5种碰撞工况下的船体结构响应、冰体运动与破损及船-冰碰撞力数值仿真计算结果进行分析。3.1船体结构响应船舶与浮冰发生碰撞时船体结构会在冰体撞击下产生结构响应，对于极地航行的油船来说，冰体撞击一旦造成外壳板破裂将会造成原油外泄，不仅威胁船体结构安全，也会对海洋环境造成污染。本文对目标第42卷刘俊杰，等：油船极地航行与浮冰碰撞动响应特性研究·165·
?泄辜?加冒蹇堑ピ?Ｄ猓?ピ?卣鞒ざ任?200mm，船首结构采用弹塑性材料模拟；首部细化区域之后的船体采用分段模型（建议分15～20段，本文分15段），并用较大的有限元网格表达船体主要构件，通过调整各段船体密度，使得模型重量及重心沿船体纵向、垂向分布与实船相同，并采用刚性材料模拟。建立的船体有限元模型如图1和图2所示。表1PC4级油船主要参数Tab.1PC4oiltankermainparameters尺度垂线间长LPP/m型宽B/m型深D/m吃水d/m满载排水量/t数值2754423.815110000图1船体结构材料分区Fig.1Hullstructurematerialdistribution图2船首结构有限元模型Fig.2Finiteelementmodelofbowstructure本文计算对象PC4级极地油船首部涉冰带结构采用高强钢建造，在对船体与浮冰碰撞过程进行数值仿真时采用弹塑性材料模拟，并考虑材料的应变率敏感性，采用的材料参数如表2所示。表2船体材料数值模拟参数（首部弹塑性材料）Tab.2Parametersofshipmaterial名称参数量值名称参数量值σs屈服应力/MPa400密度/kg·m37850E弹性模量/MPa2.06×105应变率参数D40.5硬化模量Eh/MPa1.18×105应变率参数p5泊松比μ/MPa0.3εmax最大失效应变0.281.2浮冰与海水有限元模型浮冰的生成受诸多因素的影响，其形状多种多样，常见的有饼状浮冰和块状浮冰（见图3），同一图3浮冰类型Fig.3Typeoffloatingice·164·舰船科学技术第42卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑水介质作用的船冰碰撞解耦方法及载荷预报[J]. 韩文栋,张健,刘海冬,王甫超. 舰船科学技术. 2017(21)
[2]浮冰碰撞载荷作用下船体板结构动力响应研究[J]. 闫孟娇,朱凌. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2017(02)
[3]基于Derradji-Aouat海冰本构模型的船冰碰撞数值模拟[J]. 翟帅帅,高俊. 船舶设计通讯. 2016(S1)
[4]冰载荷作用下船首结构碰撞数值仿真计算与分析[J]. 张充霖. 中国海上油气. 2014(S1)
[5]破冰船冲破冰层的有限元数值仿真研究[J]. 王林,刘星. 中国水运(下半月). 2014(05)
[6]船舶碰撞数值仿真的附加质量模型[J]. 王自力,蒋志勇,顾永宁. 爆炸与冲击. 2002(04)
本文编号：3337959
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(23)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
浮冰类型Fig.3Typeoffloatingice
一种为船首与块状浮冰边缘中部发生碰撞。因此，本文船舶与浮冰碰撞场景分为5种工况，各工况的定义如表4和图5所示。表4船舶与浮冰碰撞工况表Tab.4Collisioncasetable工况编号场景描述浮冰边长（半径）/m浮冰质量/kg浮冰厚度/m工况1船首与圆形冰面浮冰边缘接触7.5190.91.2工况2船首与正方形冰面浮冰边缘接触13.293工况3船首与正方形冰面浮冰尖端接触13.293工况4船首与正五边形冰面浮冰边缘接触10.135工况5船首与正五边形冰面浮冰尖端接触10.135图5船舶与浮冰碰撞工况图Fig.5Collisioncasepattern3计算结果分析本文模拟了该PC4级极地油船从船首尖与浮冰接触开始后5s时间内的船-冰碰撞动态过程，分别对5种碰撞工况下的船体结构响应、冰体运动与破损及船-冰碰撞力数值仿真计算结果进行分析。3.1船体结构响应船舶与浮冰发生碰撞时船体结构会在冰体撞击下产生结构响应，对于极地航行的油船来说，冰体撞击一旦造成外壳板破裂将会造成原油外泄，不仅威胁船体结构安全，也会对海洋环境造成污染。本文对目标第42卷刘俊杰，等：油船极地航行与浮冰碰撞动响应特性研究·165·
?泄辜?加冒蹇堑ピ?Ｄ猓?ピ?卣鞒ざ任?200mm，船首结构采用弹塑性材料模拟；首部细化区域之后的船体采用分段模型（建议分15～20段，本文分15段），并用较大的有限元网格表达船体主要构件，通过调整各段船体密度，使得模型重量及重心沿船体纵向、垂向分布与实船相同，并采用刚性材料模拟。建立的船体有限元模型如图1和图2所示。表1PC4级油船主要参数Tab.1PC4oiltankermainparameters尺度垂线间长LPP/m型宽B/m型深D/m吃水d/m满载排水量/t数值2754423.815110000图1船体结构材料分区Fig.1Hullstructurematerialdistribution图2船首结构有限元模型Fig.2Finiteelementmodelofbowstructure本文计算对象PC4级极地油船首部涉冰带结构采用高强钢建造，在对船体与浮冰碰撞过程进行数值仿真时采用弹塑性材料模拟，并考虑材料的应变率敏感性，采用的材料参数如表2所示。表2船体材料数值模拟参数（首部弹塑性材料）Tab.2Parametersofshipmaterial名称参数量值名称参数量值σs屈服应力/MPa400密度/kg·m37850E弹性模量/MPa2.06×105应变率参数D40.5硬化模量Eh/MPa1.18×105应变率参数p5泊松比μ/MPa0.3εmax最大失效应变0.281.2浮冰与海水有限元模型浮冰的生成受诸多因素的影响，其形状多种多样，常见的有饼状浮冰和块状浮冰（见图3），同一图3浮冰类型Fig.3Typeoffloatingice·164·舰船科学技术第42卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑水介质作用的船冰碰撞解耦方法及载荷预报[J]. 韩文栋,张健,刘海冬,王甫超. 舰船科学技术. 2017(21)
[2]浮冰碰撞载荷作用下船体板结构动力响应研究[J]. 闫孟娇,朱凌. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2017(02)
[3]基于Derradji-Aouat海冰本构模型的船冰碰撞数值模拟[J]. 翟帅帅,高俊. 船舶设计通讯. 2016(S1)
[4]冰载荷作用下船首结构碰撞数值仿真计算与分析[J]. 张充霖. 中国海上油气. 2014(S1)
[5]破冰船冲破冰层的有限元数值仿真研究[J]. 王林,刘星. 中国水运(下半月). 2014(05)
[6]船舶碰撞数值仿真的附加质量模型[J]. 王自力,蒋志勇,顾永宁. 爆炸与冲击. 2002(04)
本文编号：3337959
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