基于SPH-FEM方法的舷侧与冰山碰撞结构响应_王翔宇.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 56 基于基于 SPH-FEM 方法的舷侧与冰山方法的舷侧与冰山 碰撞结构响应碰撞结构响应 王翔宇1，李志雨2，孙树政1,3，李 辉1（1哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001；2中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；3哈尔滨工程大学 烟台研究（生）院，山东烟台 264000）摘 要：摘 要：传统的有限元数值仿真对于研究高速碰撞大变形等问题具有一定的局限性，建立一套基于光滑粒子流体动力学（SPH）的水介质中小型冰山与船舶舷侧碰撞数值模拟方法，验证 SPH 模拟冰材料与船-水-冰耦合的合理性，对不同舷侧部位与不同冰山碰撞工况进行数值模拟，分析碰撞形状、面积和速度等对舷侧结构的应力、应变、结构损伤等的影响规律。研究表明，提出的冰山与舷侧碰撞数值模拟方法具有较高的计算精度，对冰山-船舶碰撞的研究具有重要的参考价值。关键词：关键词：SPH；有限元方法；舷侧；冰山碰撞 中图分类号：中图分类号：U661.32 文献标志码文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.09 Structural Response of Shipboard Iceberg Collision Based on SPH-FEM Method WANG Xiangyu1,LI Zhiyu2,SUN Shuzheng1,3,LI Hui1(1.College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.Marine Design and Research Institute of China,Shanghai 200011,China;3.Yantai Graduate School,Harbin Engineering University,Yantai 264000,Shandong,China)Abstract:The traditional finite element numerical simulation has certain limitations for studying the problems of high-speed collision and large deformation.A set of numerical simulation method of small and medium-sized icebergs in water medium and ship side collision based on smoothed particle hydrodynamics(SPH)method is established,which verifies the rationality of SPH method to simulate the coupling between ice material and ship water ice,and numerically simulates the collision conditions of different side parts and different icebergs.The effects of collision shape,area and velocity on the stress,strain and structural damage of the side structure are analyzed.The research shows that the numerical simulation method of icebergs and shipboard collision has high calculation accuracy,and has important reference value for the study of icebergs-ship collision.Key words:smoothed particle hydrodynamics(SPH);finite element method(FEM);shipboard;icebergs collision 0 引言引言 随着全球气温变暖，北极航道开通，极地研究成为近几年的热门话题。美国地质调查局（United States Geological Survey,USGS）2008 年的评估报告显示，北极圈尚未开发的天然气占全球总储量的30%，石油占 13%，被誉为“未来的中东”1。但由于复杂的极地海域环境，即使在夏季，也有液化天然气（Liquefied Natural Gas,LNG）船与冰山碰撞的可能性，不仅造成严重的环境污染，而且危机人员安全。这就使得 LNG船冰载荷的研究变得尤为重要。现在越来越多的学者将计算机软件的数值模拟运用于船舶冰载荷研究中。WANG 等2在2008 年使用商业有限元软件DYTRAN开发了一套用于LNG船-冰的碰撞模型，为 LNG 船在冰载荷下的船体结构强度评估制定了验收标准和完整的程序；张充霖3使用有限元分析软件研究了不同形状的冰山在与船首碰撞中的 收稿日期：2021-12-26；修回日期：2022-04-19 作者介绍：王翔宇（1998），男，硕士研究生。研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。通信作者：孙树政（1982），男，教授、硕士生导师。研究方向：船舶风浪环境适应性。王翔宇等，基于 SPH-FEM 方法的舷侧与冰山碰撞结构响应 57 损伤影响；徐双东4利用有限元计算软件对在冰载荷下不同船舶结构加强方案进行仿真试验，得出加强纵骨架更加安全。在海冰方面，DAS 等5基于光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）方法数值模拟了冰的四点弯曲试验，并将数据与试验结果相对比，发现在断裂时间，中点挠度，冰力上基本一致，由此证明了 SPH 方法模拟冰材料弯曲断裂的合理性，并证明其在解决破坏问题上优越性。目前研究主要使用有限单元法（Finite Element Method,FEM）来进行建模、碰撞分析，而船舶碰撞冰山是一个瞬时的过程，并伴随材料的大变形。这时，传统的 FEM 就有很大的局限性：海水在使用FEM 中很容易出现网格畸形问题，冰与水的耦合作用也并不能很好体现出海冰的升沉以及海冰破碎后的运动。本文提出采用 SPH 方法模拟船冰碰撞。SPH 方法模拟流体具有自适应的优势，本质上仍然是拉格朗日方法，但在处理高速碰撞中不会出现传统 FEM 中网格严重变形导致结果不精确的问题。SPH粒子之间自行耦合，可以较为准确地做到流固耦合。1 冰材料模型验证冰材料模型验证 1.1 冰材料仿真模型合理性验证冰材料仿真模型合理性验证 冰山的物理属性较浮冰稍有不同。冰山盐分较低，抗压强度大，所以对于船舶冰山碰撞的研究才显得格外重要。冰山材料的本构模型选择各向同性弹塑性断裂模型，失效准则满足 von Mises 屈服准则，以最大塑性应变模式作为材料的破坏模式，材料的分离模式为恒定最小压力模式6，具体参数见表1。表 1 冰材料模型参数 材料属性 数值材料属性 数值材料密度/(kg/m3)920屈服应力/MPa 2.12塑性模量/GPa 4.26失效应变 0.35剪切模量/GPa 2.2截断压力/MPa 4 本文通过圆台冰撞击刚性墙来验证冰材料的合理性。在商业软件 LS-DYNA 中建立模型，见图 1。圆台冰体用 SPH 粒子建立，粒子半径为0.15 m。圆台冰顶直径为1 m，底直径为10 m，高度为5 m，被撞刚性墙进行全约束，采用 Solid 单元模拟，厚度为0.8 m。为了实现船-水-冰全耦合技术，引入水介质，同样使用SPH 粒子模拟，半径为0.2 m，冰吃水5 m，冰体距离刚性墙0.001 m。碰撞结果与国际标准化委员会在 ISO/CD 19906-2006中推荐的冰山碰撞载荷下异常水平的冰事故（Anomalous Level under Iceberg Emergency,ALIE）中冰材料在碰撞过程中的压强-面积曲线7对比，见图2。图2 显示：在圆台冰与刚性板接触初期，接触面积小，压强大；随着前方冰材料受压破坏失效，后方的粒子向前推进，接触面积增大，发生了高压区向低压区转变，随后压强趋于平稳。仿真模拟结果与ISO-ALIE 国际标准曲线拟合较好，可以认为本文选择的冰材料能够反映真实冰山的物理属性。图1 圆台冰撞击刚性墙模型 图2 数值仿真结果与 ISO-ALIE 国际标准对比 1.2 冰冰-水水-船耦合验证船耦合验证 基于 SPH 建立水介质中船体板架与冰体碰撞的数值试验模拟，见图3。板架的主尺度为0.8 m0.7 m 0.1 m，板厚0.002 m，骨材为0.002 m0.024 m 的扁钢，具体材料参数见表2。板架采用FEM 建模，网格尺寸为0.040 m0.035 m0.025 m。冰体为0.9 m0.4 m0.2 m的长方体，使用SPH 粒子建模，粒子半径为0.025 m。在主体模型周围设置了2.0 m1.7 m1.0 m 的大型水域，粒子半径为0.025 m。图3 水介质中板架与冰体碰撞模型 表2 板架材料模型参数 材料属性 数值材料属性 数值密度/(kg/m3)7 850泊松比 0.3 弹性模量/GPa 200 屈服应力/MPa 235 为了总结出水介质中不同速度冰体撞击板架的耦024 6 8 100510152025接触处的压强/MPa 接触面积/m2 ISO-ALIE 仿真模拟 船舶设计、船舶结构和性能 58 合情况，分别将冰块以2 m/s、3 m/s、4 m/s 的速度正面撞击固定于水中的板架，板架的吃水深度为0.49 m，测得板架上5 个典型位置数据，测量点分布见图4。图5 和图6 给出了将不同速度下的结构应力、变形值峰值与文献8试验结果的对比。由图5 和图6 可看出：3 种工况下数据有一定误差，其原因为大自然中冰材料的物理属性复杂多变，计算机模拟程度有限，但曲线变化趋势一致，可验证了基于 SPH 方法的冰-水-船数值模拟的合理性。图4 板架测量点分布图 图 5 不同工况下试验和仿真模型的应力峰值对比 图 6 不同工况下试验和仿真模型的变形量峰值对比 2 舷侧舷侧-冰山数值模型冰山数值模型 为研究船舶舷侧与冰山碰撞的结构响应，以行驶在北极航道的某 LNG 船舶舷侧进行仿真分析，探究不同舷侧部位与不同形状、面积和速度的冰山碰撞时舷侧的应力、应变与结构损伤情况。为提高计算效率，选择一侧舷侧结构模型进行分析，见图 7，舷侧参数见表3。舷侧碰撞位置网格进行细化，大小为0.096 m 0.100 m，四周刚性固定。水域尺寸为 60 m40 m 21 m。冰与水的粒子半径分别为0.1 m、1.0 m，船体材料分别采用Mild、HT32、HT40、HT500 号钢材9，对应屈服应力分别为 235 MPa、315 MPa、390 MPa和500 MPa，船体钢材均采用极限等效塑性应变失效准则，失效应变取0.3510。其他参数与1.2节设置相同。随着雷达系统的飞速发展，大多数冰山都可以被提前侦测到，让船舶有充足的时间作出反应，而水面上5 m 以下的小型冰山还是难以侦测出来，这些冰山成了船舶的最大威胁。然而这些小型冰山大多是从大冰山上脱落下来的，其形状千奇百怪。为了简化计算，参考DNV 推荐的仿真冰山形状7，将碰撞区域的冰山形状简化为半球形与正方体，半球形冰山半径为2.5 m，正方体冰山尺寸为5 m5 m5 m，冰山碰撞部位见图8。冰山主体选用半径10 m、高20 m 的刚性圆柱体。图7 冰-水-舷侧模型 表3 舷侧尺寸 长L/m 宽B/m 设计吃水 d/m 52.7 8.9 11.7 /MPa 0 1 2