Numerical analysis of impact pressures on board during vessel movement in ice

Вопросам прочности судов при эксплуатации во льдах в последнее время уделяется все больше внимания в связи возрастающим интересом к освоению Арктики. Несмотря на множество проведенных исследований, остаются не всегда ясными и трудно определимыми величина и характер ударных контактных давлений на корпус, что связано со сложным процессом соударения льда и корабля, зависящим от многочисленных факторов. В этой связи, важным является накопление и систематизация результатов исследований. В данной работе проведен расчетный анализ ударного воздействия льда на корпус ледокола, показано, как изменяются амплитуда, длительность и форма ударного импульса. Выполнена оценка напряжений, перемещений и деформаций, возникающих в процессе смятия и изгиба ледовой пластины, контактных давлений в зависимости от скорости соударения, массы, толщины и конфигурации льдины, а также от углов наклона борта к вертикали и ватерлинии к диаметральной плоскости. Исследование проведено при рассмотрении процесса удара на 3D-модели корпуса и аналитическим методом. Сравнение результатов анализа численного моделирования и аналитических расчетов показывают достаточно хорошую их сходимость. Картина взаимодействия корпуса судна со льдом, а также численные значения параметров (ударного импульса, состояния льда) свидетельствуют о пригодности нелинейного динамического исследования на этапе проектирования и инженерного анализа формы корпуса судна. Полученные данные о количественном влиянии рассмотренных параметров на интенсивность ударного давления могут быть учтены при разработке судовой поверхности ледокольных судов на начальной стадии проектирования, а также при составлении ледовых паспортов. Recently, more and more attention has been paid to the issues of ship durability during operation in ice due to the growing interest in the development of the Arctic. Despite the many studies performed, the magnitude and nature of impact contact pressures on the hull are not always clear and difficult to determine, which is associated with the complex process of collision of ice and the ship, depending on numerous factors. In this regard, the accumulation and systematization of research results is important. In this work, we performed a calculation analysis of the impact of ice on the icebreaker’s hull, showing how the amplitude, duration and shape of the shock pulse change. The stresses, displacements, and deformations arising during the crushing and bending of the ice plate, the contact pressures depending on the impact speed, mass, thickness and configuration of the ice floe, as well as on the angles of inclination of the bead to the vertical and the waterline to the diametrical plane, were estimated. The study was conducted when considering the impact process on a 3D model of the body and the analytical method. Comparison of the results of the analysis of numerical simulation and analytical calculations show a fairly good convergence. The picture of the interaction of the ship’s hull with ice, as well as the numerical values of the parameters (shock pulse, ice state) indicate the suitability of nonlinear dynamic research at the stage of design and engineering analysis of the shape of the ship’s hull. The obtained data on the quantitative influence of the considered parameters on the pressure intensity can be taken into account when developing the ship surface of icebreaking vessels at the initial design stage, as well as when compiling ice certificates.