船舶骑冰事故下船体梁结构强度特征分析.pdf
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1、本文网址:http:/www.ship- J.中国舰船研究,2024,19(2):113119.CHEN F K,YANG J,YUAN Y C,et al.Analysis of structural strength characteristics of hull girder under ice riding acci-dentJ.Chinese Journal of Ship Research,2024,19(2):113119(in both Chinese and English).船舶骑冰事故下船体梁结构强度特征分析扫码阅读全文陈富康1,2,杨骏3,袁昱超*1,2,薛鸿祥1,2,
2、唐文勇1,21 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 2002402 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海 2002403 中国船舶科学研究中心,江苏 无锡 214082摘 要:目的目的针对船体梁与冰层相互作用后的结构强度变化问题,提出骑冰工况下船体梁结构强度分析方法,揭示相应的结构强度特征。方法方法首先,建立船体梁结构强度分析模型,并根据各分段属性建立对应的船体梁载荷分析模型;然后,在载荷分析模型中求解得到骑冰工况的浮力分布并代入结构强度分析模型中,以考虑骑冰带来的浮力变化;最后,施加重力及冰层支反力,进行结构强度计算,并分析抬升位置和抬升高度对船体梁浮力、剪力、弯矩以及局部应力
3、分布的影响。结果结果结果显示,当船首抬升高度变化时,船体梁存在浮力与剪力不随抬升高度变化的点,该点分别位于船体梁后半段以及船中;当抬升位置位于球鼻艏时,该部位的舷侧外板更接近于垂直,不利于抵抗冰层支反力,导致高应力面积相对较大,更危险。结论结论采用所提方法能够计算船体梁结构在船首大幅度抬升情况下的结构响应,计算效率高,可初步判断危险骑冰工况下船体梁的结构强度。关键词:船冰碰撞;极端载荷;船体梁;结构强度;有限元分析中图分类号:U661.42文献标志码:ADOI:10.19693/j.issn.1673-3185.03185 Analysis of structural strength cha
4、racteristics of hull girderunder ice riding accidentCHEN Fukang1,2,YANG Jun3,YUAN Yuchao*1,2,XUE Hongxiang1,2,TANG Wenyong1,21 State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China2 School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong Un
5、iversity,Shanghai 200240,China3 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,ChinaAbstract:Objectives In order to identify the change in structural strength after an interaction betweenhull girders and ice,this paper puts forward an analytical technique which can determine the structural streng
6、thof hull girders after an ice riding accident and disclose the related structural strength features.MethodsFirst,the hull girder structural strength analysis model and associated load analysis model are constructed in accor-dance with the characteristics of each section.To account for the buoyancy
7、variations brought on by ice riding,the buoyancy distribution of the ice riding conditions is retrieved from the load analysis model and insertedinto the structural strength analysis model.Gravity and the reaction force of the ice are then used to determinethe structural strength.Finally,an analysis
8、 is carried out on the impact of lifting position and height on thebuoyancy,shear force,bending moment and local stress distribution of the hull girders.ResultsThe re-sults show that the sites of buoyancy and shear force of the hull girders are situated in the stern part and middlepart,and unaffecte
9、d by changes in the bow lifting height.The shell is closer to the vertical when the lifting po-sition is at the bow of the bulbous bow,making it harder to resist the ice lever support reaction and resulting inthe high stress areas becoming comparably larger and more dangerous.ConclusionsThe proposed
10、 tech-nique has high computation efficiency and can be used to estimate how hull girders will respond to a signi-ficant bow lift and make preliminary judgments on hull girder construction strength under risky ice riding con-ditions.Key words:ship ice collision;extreme load;hull girder;structural str
11、ength;finite element analysis收稿日期:20221121 修回日期:20230220 网络首发时间:20230406 14:34作者简介:陈富康,男,1999 年生,硕士生。研究方向:船冰碰撞。E-mail:chfk_袁昱超,男,1991 年生,博士,助理研究员。研究方向:船海结构物载荷分析及结构安全性评估。E-mail:薛鸿祥,男,1981 年生,博士,教授。研究方向:船海结构物载荷分析及结构安全性评估。E-mail:唐文勇,男,1970 年生,博士,教授。研究方向:船海结构物载荷分析及结构安全性评估。E-mail:*通信作者:袁昱超 第 19 卷 第 2 期中
12、国 舰 船 研 究Vol.19 No.22024 年 4 月Chinese Journal of Ship ResearchApr.2024 0 引言随着全球气候变暖,极地航行船舶逐渐增多1,极地船舶的安全性成为重要的研究课题。由于北极地区海域常年被大面积的冰层覆盖2,故船冰碰撞时常发生。船舶在与冰层碰撞后,会发生船体梁首部抬升而导致船舶骑冰事故的风险。所谓船舶骑冰事故,即船舶在航行过程中因与冰体碰撞而导致船首抬升,致使船体的一部分因惯性脱离水面至冰体上方,最后导致船体结构损伤的事故。船舶骑冰与船冰碰撞现象产生的原因一致,但在船冰碰撞事故中,导致船体结构破坏的主要原因是作用于船首或舷侧结构的冰
13、载荷,而在船舶骑冰事故中,导致船体结构破坏的主要原因则是船首抬升后重新分布的船体梁载荷,二者在载荷形式上不同。目前,针对船体梁结构船首部位抬升而导致浮力重新分配后的结构强度研究方法及结构响应特征研究较少,因此,研究船舶首部大尺度抬升下船体梁结构的强度变化具有现实意义。在船体梁的结构强度方面,已有部分相关研究。大多是利用非线性有限元方法3-6对船体梁结构极限强度进行分析,并在多种工况下相互对比,从而得到船体梁结构强度特征。也有部分研究是针对不同型号的船舶,采用理想结构单元法7-8和逐步破坏法9-11进行分析,通过对比来衡量其结构强度。以上研究主要是考虑船体梁结构在波浪载荷下中拱、中垂时的船体梁极
14、限强度,而本文则主要研究因船首抬升导致浮力重新分布后的强度问题,两者在载荷形式以及危险部位上存在差异。在船冰碰撞方面,大部分研究12-15是针对船体局部结构,例如舷侧或船首局部结构、在冰山撞击下的局部响应,以及未涉及船冰碰撞载荷下的对船体梁强度的影响等。部分研究船舶与冰层之间碰撞响应文章16-17的关注点主要在于船冰相互作用下的船体梁结构整体强度,尚未考虑船体梁模型中浮力在船长方向重新分布的因素。基于流固耦合方法分析船冰碰撞的研究18-19能够考虑因浮力在船长方向的重新分布而产生的影响,但该方法需要对船体梁周围流体域进行网格划分和计算,计算需要的时间长且难以收敛。此外,在基于流固耦合方法的计算
15、工况中,船首抬升幅度较小,并未涉及船首大幅度抬升的情况。而对于船体梁结构船首抬升位置以及抬升高度对结构强度的影响还有待更深入的研究。为此,本文将模拟船体梁结构在与层冰发生碰撞导致船首抬升一定高度后,船体梁强度的变化规律,具体包括船体梁载荷分析以及船体梁结构强度分析。首先,通过船体梁载荷分析得到不同船首抬升工况下船体梁浮力、弯矩、剪力在船长方向的分布情况,同时为船体梁结构强度分析模型的有限元分析提供浮力输入值;然后,通过对比不同工况下船体梁结构的响应,得到船体梁结构在首部抬升情况下的结构强度变化规律。1 骑冰工况下船体梁结构强度分析方法船体梁在骑冰过程中,其结构强度主要受总体载荷的影响,总体载荷
16、的变化来源于首部抬升后因水线面变化而导致的浮力沿船长方向的重新分布。但仅在三维非流固耦合模型中考虑因水线面而导致的浮力变化较为困难,考虑到船体梁各分段浮力的求解可以简化为一维问题,本文建立了不同维度的船体梁模型,即先在一维的船体梁载荷分析模型中求解得到浮力沿船长方向的分布,然后代入到三维的船体梁结构强度分析模型中进行应力场计算,最后,针对响应特征进行分析。1.1 船体梁载荷分析模型为了得到船体梁结构强度分析模型中浮力、弯矩以及剪力在船长方向的分布,建立了船体梁载荷分析模型。选取某冰区航行船舶模型,船舶主尺度如表 1 所示。将该目标船模分为 20 段,每段约长 9.35 m,模型总长约 187
17、m,该模型总长与结构强度分析模型长度保持一致。将船体梁载荷分析模型设定为箱型梁截面,边长 20 m,通过改变各分段材料的密度以及箱型梁壁的厚度,使各分段质量以及截面垂向惯性矩与结构强度分析模型中的各分段一一对应。表 1 目标船舶主尺度Table 1 Main dimensions of target ship参数数值总长/m185型深/m16型宽/m22吃水/m4.5排水量/t5 310 在船体梁载荷分析模型中,载荷分为 3 部分:重力、浮力以及冰层给予的支反力。对于重力载荷,由于载荷分析模型各分段的质量是与实际船体各分段质量保持一致的,故添加重力场可保证载荷分析模型中重力沿船长分布与船舶在实
18、际情114中 国 舰 船 研 究第 19 卷况下重力沿船长分布一致。对于船体梁受到的浮力,利用自定义的载荷子程序在船体梁各分段上施加随单元垂向坐标变化的压力,各分段浮力与吃水的关系则通过船体各分段横截面的几何尺寸得到。对于冰层给予的支反力,可通过在船首抬升节点处施加强制位移迭代计算得到。船体梁载荷分析模型各分段的计算流程如图 1 所示。最后,在载荷分析模型的船尾节点处约束沿船长方向的位移,以防止在计算中出现船长方向的飘移。空心梁壁厚度垂向惯性矩材料属性及截面属性分段质量一维船体梁模型重力垂向力是是否支反力浮力载荷输出结果幂函数拟合横剖面型线特定吃水下的排水体积载荷子程序材料密度否平衡?修改分段
19、吃水值图 1船体梁载荷分析模型计算流程图Fig.1 Calculation flow of load analysis model of hull girder 1.2 船体梁结构强度分析模型船体梁结构强度分析模型取全船模型略去上层建筑后的主船体部分,船体梁结构与冰层相互作用后船首抬升的示意图如图 2 所示。在该结构强度分析模型中,先通过在载荷分析模型中计算得到的船首、尾吃水值,得到结构强度分析模型中的水线面位置,然后再将结构强度分析模型分为与载荷分析模型一致的 20 段。按照载荷分析模型中浮力随船长方向的分布值,结构强度分析模型中的浮力以节点力的方式加载于各分段船体外板在水线面以下的节点上。
20、在船体梁结构强度分析模型中,以此方式模拟各工况下浮力沿船长方向的分布。在船体梁结构强度分析模型中施加重力场,以模拟船体重力对船体梁结构强度的影响。为保持船体梁结构强度分析模型与载荷分析模型的边界条件一致,在船体尾封板上缘的各节点处,需限制船体梁横、纵向的线位移。在船首节点处施加强制位移,以模拟船体梁在骑冰工况中的首部抬升。船体梁结构强度分析模型的计算流程如图 3 所示。前半段浮力重力图 2船体梁有限元模型图Fig.2 Finite element model of hull girder 板单元和梁单元实际船体板材和骨材材料属性及截面属性材料密度分段质量三维船体梁模型重力重力场载荷支反力强制位
21、移提交计算浮力节点力输出结果图 3船体梁结构强度分析模型计算流程图Fig.3 Calculation flow of structure strength analysis model of hullgirder 2 工况设置考虑到在实际船舶的骑冰过程中,船首抬升位置和抬升高度有可能不同,故本文将主要研究船体梁模型在船冰碰撞过程中首部抬升位置和抬升高度这 2 个因素对船体梁结构响应的影响。目标船的吃水深度约为 5 m,且在实际情况中船底球鼻艏根部相对更容易与冰层发生相互作用,因此,固定抬升高度为 5 m、设置纵向间距约为 19 m 的 4 个抬升位置来考虑抬升位置的影响,相对位置如图 4 所示
22、。固定抬升位置为船底球鼻艏 根 部,设 置 抬 升 高 度 分 别 为 3,4,5,6,7 m时的 5 个工况,以考虑抬升高度的影响。具体的各工况下参数的设置以及对应的艏抬角度如表 2所示。表中,Xup为抬升位置的纵向坐标,Hup为抬升高度,艏抬角度以艉倾为正。第 2 期陈富康等:船舶骑冰事故下船体梁结构强度特征分析115 X位置 4位置 3位置 2位置 1ZY图 4船首具体抬升位置示意图Fig.4 Specific lifting position of the bow 表 2 各工况下的抬升位置及高度Table 2 Lifting position and height for each
23、case工况编号抬升位置Xup/mHup/m艏抬角/()1位置1175.752.252位置2158.252.563位置3139.752.924位置4121.253.295位置2158.231.556位置2158.242.067位置2158.263.058位置2158.273.54 3 结果分析上述 8 个工况中,船体梁应力场的变化源于船体梁总体载荷的变化,而船体梁首部抬升后浮力的变化会导致船体梁总体载荷变化。因此,本节将依次对比得到各工况下浮力值、弯矩与剪力值以及应力值这 3 个层面的特征。3.1 浮力变化当船体梁结构的抬升位置 Xup或抬升高度Hup不同时,船舶水线面位置不同,浮力沿船长方向
24、的分布也不同,不同抬升位置及抬升高度工况下各分段浮力减去重力的差值沿船长方向的分布分别如图 5 和图 6 所示。32101234550Xup=175.7 mXup=158.2 mXup=139.7 mXup=121.2 m100X/m150200浮力与重力的差值/MN图 5不同抬升位置下浮力与重力的差值Fig.5 Difference between buoyancy and gravity at different lift-ing positions 对比图 5 所示不同抬升位置下浮力与重力的差值可知,浮力小于重力的部分主要在船体梁前半段,浮力大于重力的部分主要在船体梁后半段。这是因为首部
25、抬升后,船体梁前半段吃水降低,导致浮力减小,而后半段的吃水增大,致使浮力增大。如图 5 中箭头所示,浮力与重力的差值分别在 50 和 110 m 处出现了极大值与极小值。随着抬升位置向船尾移动,该差值在船体梁中部慢慢减小,也即浮力会随着抬升位置向船尾的移动慢慢减小。这是因为当船首抬升位置向船尾移动时,船体梁中部区域抬升的相对高度会慢慢增加,而吃水高度则降低,导致该船体舱段所受浮力减小。由图 6 可知,当船首抬升高度不同时,各分段浮力与重力的差值变化主要在船尾端以及船体梁中前段。当抬升高度变大时,船尾段的吃水增大而船体梁中前段的吃水则减小,故船尾段的浮力增大,浮力与重力的差值也增大;随着船体梁中
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