極地冰區運輸船冰激振動及抗振結構研究

張健，周陳超，王穎凱

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212000；2.招商局金陵船舶(南京)有限公司，江蘇 南京 210015)

0 引 言

極地運輸船，在冰區航行時，其破冰能力遠差于破冰船。船體在與冰體接觸時會受到冰阻力，伴隨著冰激振動響應。振動加速度的大小與船體所受冰阻力的大小呈正相關。在冰區航行中，船體振動會直接影響到船上船員的工作與生活，且對船體設備的壽命有一定的損害。因此，對于冰區運輸船的冰激振動的研究亟需深入。

目前冰激振動的研究對象多是海洋平臺。在海洋平臺上出現的冰激振動影響較大不可忽略，而對于在冰區航行的船舶，之前的研究考慮較少，所以缺乏參考。但隨著地球氣溫上升，北極融化的大背景下，對極地航行的研究亟需加快?，F今的國內外學者主要以北極實地考察和冰區模擬對此課題進行研究。

張鵬獲得破冰船水線區船肩受力分析的數據后，簡化了船肩結構，為探究冰載荷及冰激振動對冰體結構破壞的影響，選用了合理的冰體強度參數與冰載荷計算公式后研究了船肩處冰載荷與冰激振動響應的關系，為研究冰區破冰船的破冰航行提供了一定的參考。季順迎等測定了在南極破冰航行的“雪龍”號極地科考船實時冰激振動加速度，確定了船速、外界荷載及外界因素對船體振動的影響關系。蔡柯模擬了破冰船在層冰區的破冰航行，使用離散元方法去建立了冰體模型，求得船體周圍的壓力變化及冰載荷導致的冰激船體結構振動效應。應用北極實地科考過程中破冰船上測得的數據，分析了3 個方向上船體局部冰激振動的數值，研究了航速及冰體力學性質對船首局部振動的變化規律，獲得了冰載荷的時程曲線和冰激振動加速度的時程曲線。

1 極地運輸船冰區航行過程分析

1.1 模型及計算域的建立

本文的研究對象為某型16 萬噸級的油船。使用Ansys 建立簡化船首模型，再使用有限元軟件Ls-dyna，單元網格取1 m×1 m。

船體結構材料選用普通船用鋼，選Ls-dyna 中的3 號塑性隨動材料模型作為鋼材料本構模型，并在船首后建立平行中體，使用剛體建立中體。雖然以剛體作為材料的平行中體并不會參與船首結構的計算，但會使船體的重心偏移，從而使計算結果出現偏差，因此本文在關鍵字*part_inertial 修改船體重心位置至實船的實際重心位置。最后對所有節點設置方向和方向上的位移約束和3 個方向上旋轉自由度的全約束。此外，在船舶破冰仿真計算中，使用附加質量法時，水的附連質量系數取為0.05，鋼材料參數如表1 所示。

表1 鋼材料參數Tab.1 Material parameter

船體有限元模型如圖1 所示。

圖1 船首有限元模型Fig.1 Bow finite element model

使用體單元建立層冰模型，尺寸為140 m×80 m×1 m。網格尺寸選用區間為200～300 mm，冰層前端面約束為六自由度完全自由，后、左、右端面的約束為六自由度固定。在Ls-dyna 的材料庫中選取MAT_PLASTICITY_COMPRESSION_TENSION (MAT_124)作為冰體材料，冰體材料參數如表2 所示。

表2 海冰材料參數Tab.2 Sea ice material parameters

船冰接觸處使用侵蝕接觸（Eroding）算法，通過定義速度時程曲線，讓船體勻速行駛，將計算的總用時設置為6 s。

在計算船體結構的振動響應時，需要在船體接觸斷面上施加激振力，而在本文的計算條件下，船首最主要的振源是與冰體碰撞產生沖擊力。因此為了計算出船首冰帶區結構的振動響應，用有限元方法模擬冰區船破冰過程。選用振動加速度作為局部結構的振動響應指標，它能直觀體現振幅的大小，也能作為船員舒適度的參考指標。

船冰計算域模型如圖2 所示。

圖2 船冰計算域模型Fig.2 Ship-ice calculation domain

1.2 極地運輸船局部結構冰激振動響應分析

設置冰層厚度為1 m，船舶航速為4 m/s 的工況進行船舶航行的計算，其典型的船冰相互作用狀態示意圖如圖3 所示。

圖3 船體與海冰相互作用Fig.3 The hull interacts with the sea ice

船首型線通常為尖瘦形，其中破冰船和球鼻首船更為典型，因此在船舶行駛過程中，船首不大會和冰體發生直接碰撞，反而是舷側會與冰體發生直接碰撞，像是一個人的肩膀，因此也被叫做船肩。在船肩處冰帶區附近的的舷側縱桁上選取適當數量的測點測量振動響應。

在冰帶區附近的一根縱桁上選取5 個點作為觀測點，分別以A，B，C，D，E 命名，同時再選2 個同一肋位上但在不同水線位置上的10 個點作為參照組，區別命名為A-E，A-E，觀測點的位置及命名如圖4 所示。

圖4 測點Fig.4 Test points＇

測出6 s 內各觀測點的振動時程曲線。計算步長為0.01 s，出圖步長為0.01 s。圖5 僅展示對C 點的加速度數據，在船肩處3 個方向上的振動加速度的時程曲線如圖5 所示。

圖5 C 點在3 個方向上振動加速度時程曲線Fig.5 Time history curve of vibration acceleration of point C in three directions

可知，在破冰航行時，船體在3 個方向上皆出現了顯著的振動加速現象，且皆無規律特征，表明船舶航行時船冰振動具有較大的隨機性。同時，還可以注意到軸方向振動的頻率較高，這是因為船肩處與平面平行的縱桁，在軸方向上較易出現振動加速。

5 個觀測點在方向、方向、方向上的振動加速度平均值及最大值如圖6 所示。

圖6 各測點振動加速度平均值及最大值Fig.6 Average value and maximum value of vibration acceleration at each measuring point

圖中后綴max 和mean 分別對應該點的最大振動加速度和平均振動加速度，前綴0 是在A-E 點，前綴1 是在A-E點，前綴2 是A-E點。

顯然，盡管處于不同水線，但其振動加速度的值接近。3 組測點的振動加速度平均值十分接近，且靠近撞擊點的測點值，在縱向和垂向的振動加速度明顯偏大，尤其是橫向的差距更為顯著，其最大值為97.6 m/s，平均值為20 m/s。

縱向振動加速度其最大值的數值隨機性很強，測點距水線越近，垂向振動加速度會越小，反之則越大。這是因為冰帶區沿水平方向延伸，垂直于縱桁，因此垂向的振動加速度相較于其他方向上的更小。

2 極地航行船抗冰激振動新型結構形式研究

船舶破冰過程中產生振動不可忽視，使用夾層結構對船體進行局部加強，驗證夾層結構是否對抗冰激振動有效。

2.1 夾層板

夾層板結構在提高結構的強度、降低結構的損傷等方面有著顯著的效果，因此受到國內外結構領域學者的關注。Stephen等構造了一種不同于普通橋面板的Sandwich Plate System（SPS）結構，SPS 結構在靜載測試環節上對比普通橋面板，展現出了其在強度上的優點。

王自力等構造了FCT 和IFP 兩種舷側板結構，進行對比靜載測試，結果證明了2 種結構在強度上的優勢。為探究應用夾層結構在極地航行船上對抗冰激振動是否有效，在上述數據基礎上，優選4 種夾層板，對船肩進行局部結構加強。

2.2 夾層板對冰激振動的影響

為了避免局部結構重量對強度的影響，選用夾層板的厚度時保證與對照組的質量誤差在1%以內。同時為了選出最佳方案，選取4 種夾層板結構I 型、V 型、X 型和四邊蜂窩型等分別對船肩處進行加強。

把船的外板和肋骨替換成夾層板結構，夾層板的內、外面板的厚度之和與原方案厚度相等，夾芯層高度與肋骨高度持平，夾芯層厚度由等重量計算得到。圖7 為4 種夾層板I 型、V 型、X 型和四邊蜂窩型的結構示意圖。

圖7 四種夾層板Fig.7 Four sandwich plates

4 種夾層板I 型、V 型、X 型和四邊蜂窩型的結構尺寸見表3。

表3 夾層板尺寸Tab.3 Sandwich plate size

選取航速為4 m/s，冰厚為1m。計算的測點選擇也是位于水線附近桁材上的5 個測點A～E，5 類船肩處5 個測點的振動加速度均值及峰值如圖8 所示。

圖8 五類船肩處的振動加速度Fig.8 Five types of ship shoulder vibration acceleration

可以看到，4 種夾層板對抗振均十分有效，對3 個方向上的振動均削減超20%，特別是對橫向振動的削減更是接近40%。其中在縱向減振效果，四邊蜂窩型夾層結構好于其他類型結構，V 型夾層結構橫向減振效果好，X 型夾層結構縱向減振效果好。盡管經過大量實驗證明，四邊蜂窩型夾層板的抗沖擊效果優良，但在計算后發現，四邊蜂窩型夾層板并不是在所有工況下都是最優方案，因此在選擇優化結構時要考慮船舶實際航行中主要受力的形式再去選擇較為合適的局部結構強化方案。

為了更直觀比較優化效果，通過比較測點B 和測點D 的2 組數據，計算減少的振動，便于直接和成本進行比較，具體對比數據如表4 所示。

從表4 可知，使用夾層板結構優化后，3 個方向上的減振十分顯著，尤其是在測點的優化效果，縱向減幅接近50%，且測點D 在縱向和橫向上的減振減幅也達到了40%，說明使用蜂窩型夾層板減振處理十分有效，在橫向上的減振優化尤其優異。該結果表明夾層板結構對抗冰激振動減振效果也不遜色于抗沖擊領域。

表4 B 點和D 點三方向振動優化對比Tab.4 Comparison of three-direction vibration optimization at points B and D

盡管夾層板結構對于船肩抗冰激振動的效果十分優異，尤其是蜂窩型夾層板，但夾層板結構的工藝要求遠高于普通板，因此要結合經濟效益適當使用夾層板結構優化。

3 結 語

本文使用有限元軟件Ls-dyna，建立有限元船體模型和冰體模型，模擬冰區運輸船在層冰區進行破冰航行的過程。根據計算結果，比較船肩在縱向、橫向、垂向3 個方向上的冰激振動加速度。為了強化船肩的抗振能力，嘗試I 型、V 型、X 型和四邊蜂窩型4 種夾層板結構，計算4 種結構強化方案下船肩振動加速度，并與未優化的結構數據進行對比，再計算出4 種方案的振動減幅，最后對比4 種結構強化方案的優劣，可以得到以下結論：

1）船體不同水線處振動加速度的值接近，且靠近撞擊點的測點值，在縱向和垂向的振動加速度明顯偏大，縱向方向上的振動加速度的波動性很強，橫向振動加速度隨著離水線的距離增加而削弱。

2）使用夾層板對船肩進行結構優化，對于3 個方向上的抗冰激振動的效用都非常好。比對4 種夾層板結構的減振效果可發現，在縱向減振效果，四邊蜂窩型夾層結構好于其他類型結構，V 型夾層結構橫向減振效果好，X 型夾層結構縱向減振效果好。從總體減振效果而言，應優選三方向抗冰激振動能力均衡的四邊蜂窩型夾層結構。但夾層板（尤其是蜂窩型夾層板）的制作工藝較普通外板的要求高，如果要使用夾層板結構會增加造價，且影響船體船肩結構（如重心，主要受力區域）。夾層板結構的減振效果數據可以給冰區船在抗冰激振動結構優化上提供技術參考數據，結合經濟效益適當使用夾層板結構優化。