船-冰碰撞中考虑温度影响的冰体材料本构模型研究_俞同强.pdf

船-冰碰撞中考虑温度影响的冰体材料本构模型研究俞同强1，刘昆1，刘俊杰2，王自力1（1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）摘要：近年来随着全球气候变暖加剧，海冰消融速度加快，北极航道的全面开通成为可能。北极地区环境恶劣，即使在夏季浮冰和冰山也广泛存在，对极地船舶结构安全性产生了严重的威胁，船-冰碰撞问题也越来越受到国内外学者的关注。但是，由于海冰材料复杂的物理和力学特性，目前对海冰以及冰载荷的研究仍然面临诸多困难，其中对其本构关系的合理准确描述一直是影响相关问题计算分析的关键因素。本文结合国内外海冰实验数据，考虑温度的影响，建立了基于多曲面屈服准则的海冰材料本构模型，通过二次开发编写材料本构子程序并嵌入有限元软件LS-DYNA材料模型中。以此为基础，建立典型工况船-冰碰撞场景，分析了船体结构与冰体结构的损伤变形特点。本文研究成果可为极地船舶的结构设计制造与安全性评估提供参考。关键词：极地船舶；船-冰碰撞；船体结构；冰材料本构；温度中图分类号：U674.941文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2023.02.009Constitutive model of ice material in ship-icecollision considering temperature effectYU Tong-qiang1,LIU Kun1,LIU Jun-jie2,WANG Zi-li1(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China;2.China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)Abstract:With the intensification of global warming and the acceleration of sea ice melting in recent years,the full opening of the Arctic waterway is becoming possible.The Arctic region has a harsh environment,andeven in summer,ice floes and icebergs are still widespread,which poses a serious threat to the structural safety of polar ships.Ship-ice collision has attracted more and more attention from scholars at home and abroad.However,due to the complex material properties of ice materials,there are still many difficulties in the studyof ice material and ice load.A reasonable and accurate description of its constitutive relationship has alwaysbeen the main factor affecting the calculation and analysis of related issues.In this paper,based on the experimental data of sea ice,a constitutive model of sea ice material based on the yield criterion of multi-curvedsurface was established considering the influence of temperature.A user-defined subroutine of sea ice material was compiled and embedded in the material library of finite element software LS-DYNA through secondary development.The ship-ice collision scenario was esablished and the damage and deformation characteristics of ship structures and ice bodies were analyzed.The research results in this paper can provide referencefor the design and the safety assessment of polar ships.第27卷第2期船舶力学Vol.27 No.22023年2月Journal of Ship MechanicsFeb.2023文章编号：1007-7294（2023）02-0250-10收稿日期：2022-08-28基金项目：国家自然科学基金项目（51779110；51609110；51809122）；工信部高技术船舶科研项目（2017614）作者简介：俞同强（1992-），男，博士研究生；王自力（1964-），男，博士，教授，通讯作者。Key words:polar ship;ship-ice collision;ship structure;ice material constitutive;temperature0 引言随着全球气候变暖，极地地区的冰雪消融日益加剧，北极海冰尤其是夏季海冰正以每十年10%的速度减少1，据估计，北冰洋十年内将出现夏季无冰年，北极航道的全面开通成为可能。对于我国来说，利用北极东北航道，从上海以北港口到欧洲西部港口的航程比传统航程缩短25%55%2，不仅可以大大减轻贸易成本，而且可以摆脱对马六甲海峡的依赖，同时对于我国渔业、旅游业以及油气开采等行业具有深远影响，其重要性不言而喻。北极航道的通航对极地船舶的安全性提出了更高的要求，船-冰碰撞所带来的结构强度与冰载荷问题日益受到人们的重视。由于极地海域复杂的环境特征，即使在夏天也有浮冰存在，可能导致船舶破损、进水甚至沉没，造成重大的生命财产损失。即使辅以现代设备，船-冰碰撞问题仍然难以避免。2019年“雪龙”号在执行我国第35次南极考察任务期间，在阿蒙森海密集冰区航行中，因受浓雾影响，在南纬6959.9、西经9404.2位置与冰山碰撞，船艏桅杆及部分舷墙受损，所幸无人员受伤。可见，开展极地船舶船-冰碰撞性能研究，对于确定冰载荷大小、评估船体结构性能、减少船-冰碰撞的事故损失以及对未来极地船舶的结构设计等均具有非常重要的意义。研究船-冰碰撞问题首先需要确定冰载荷的大小，目前主要有理论计算、试验以及仿真三种方法。理论研究方法主要是在一定尺度下，通过能量法等力学理论结合单轴、压痕试验数据，得到不同工况下冰载荷的经验计算公式3-5，方法简单但是精度较低，适用范围不够广泛。随着计算机技术快速发展，数值算法不断进步，商业有限元软件被越来越多地用于解决海冰与结构作用时冰材料的模拟和冰载荷的计算问题，此时船-冰碰撞问题的研究已发展到一个新的阶段。但是，由于海冰材料复杂的物理和力学特性，目前对海冰以及冰载荷的研究仍然面临诸多困难，其中对其本构关系的合理准确描述一直是影响相关问题计算分析的关键因素。国内外学者相继提出粘塑性、粘弹塑性、弹塑性、弹脆性和泡沫材料等多种材料模型6-10，具有一定的实用性但也有各自的局限性。目前由于商业有限元软件中缺乏海冰材料相关定义，使用自定义材料本构来模拟海冰力学特性和计算冰载荷成为一种切实、有效的手段11-12。本文建立一种带脆性失效特征的弹塑性冰材料本构模型，考虑温度对屈服函数及失效准则的影响，编写相应材料子程序并通过二次开发嵌入到LS-DYNA材料库，以此为基础开展船-冰碰撞研究，分析船体与海冰相互作用时冰体和结构的损伤和变形特点。本文研究成果可为极地船舶碰撞损伤评估和结构设计制造提供参考。1 考虑温度影响的海冰材料本构模型1.1 考虑温度影响的海冰材料本构理论自然界中的海冰是由结晶冰、卤水、空气和杂质等组成的复杂混合物，其成分比例随外界条件、时间和空间的变化而变化，其中最重要的控制因素是温度，所以从材料学角度来看，海冰可以视为温度敏感性复合材料13。随着海冰力学试验尤其是多轴试验的广泛实施，海冰三维应力状态和材料力学特点得到全面直观反映14-17，为理论模型建立和数值仿真提供了有效的数据支撑。其中，Derradji-Aouat18在总结归纳三轴试验结果的基础上给出了各向同性淡水冰、冰山冰以及柱状冰的多曲面椭圆屈服方程，该屈服方程得到了广泛接受和使用。()q-qmax2+()p-pc2=1(1)第2期俞同强等：船-冰碰撞中考虑温度影响的 251式中，和为椭圆中心坐标，q为偏应力或八面体剪应力，p为静水压力，qmax和pc分别表示椭圆的长、短轴，即最大偏应力以及截断静水应力。由于qmax=(1-2)2+(1-3)2+(3-2)2/2，可得J2+q2max3(p2-2p+2)/(2 pc2)=3 q2max/2(2)即f()p,J2=J2-3q2max2+322p2c q2max-3pp2c q2max+3p22p2c q2max(3)式（3）可以写为f()p,J2=J2-()a0+a1p+a2p2=0(4)式中，J2=sij:sij/2，a0=3q2max(-2+p2c)/2p2c,a1=3q2max/p2c,a2=-3q2max/2p2c。该屈服方程即为Tsai-Wu屈服准则，其中，f()p,J2为屈服函数，J2为第二偏应力不变量，a0、a1、a2为系数。Tsai-Wu准则能够体现出复杂应力状态下静水压力能影响材料屈服的性质，同时十分适用于描述对于拉压强度相差很大的海冰材料。该屈服方程在主应力空间下的屈服曲面及在坐标轴上的投影如图1所示，可以看到在三维空间下，屈服面呈椭球型，在坐标面上的投影为椭圆形，且由于未考虑各向异性，各坐标面下屈服面投影形状保持一致，对于同一类型冰，屈服面在温度等因素影响下膨胀或收缩，同时保持椭球焦心不变，即、pc、的数值保持不变。图1 主应力空间下的屈服曲面及其在坐标轴上的投影Fig.1 Yield surface in principal stress space and its projection on coordinate axis由以上分析可知，参数a0、a1、a2的值仅与参数qmax有关，在三轴试验中，qmax=1-3，因此可以较为系统地总结出qmax与试验中各变量的关系，Derradji-Aoua给出式（5）（6）来表征qmax与应变率和温度的关系。qmax=(?/)1/n(5)=5 10-6exp-10.5 103(1/T-1/273)(6)式中，?为应变率，T为温度，n为常数。需要指出，由于该公式兼顾了范围较广的应变率范围（10-7s-110-1s-1）和温度范围（-40 0），同时由于数据的离散性影响，具体到某一应变率区间时，其吻合度有限。船-冰碰撞下冰体通常处于高应变率（10-3以上）范围，在此种场景下海冰表现为弹脆性，应变率的影响可以不计。根据Gagnon等15-17的三轴试验数据，针对该应变率附近不同温度下的试验数据进行统计、拟合，得到的屈服曲线如图2所示。主应力2主应力1主应力3252船舶力学第27卷第2期因此，参数a0、a1、a2可以表示为温度的函数ai(T)，将该屈服方程发展为