《Ocean Engineering》：Numerical study on the collision process between a framed plate structure and an iceberg considering structural response and fluid effects
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冰船结构安全性评估中，冰山碰撞过程涉及流体效应、结构响应和冰层破坏的耦合作用。本文构建CFD-DEM-FEM全耦合数值模型，实现流体-离散相-结构多场实时交互计算，验证了该模型在船体框架结构碰撞冰山时的准确性。通过对比实验数据，证实模型能精确捕捉冰力与结构变形的动态响应，并基于此分析碰撞速度和板厚对结构响应的影响规律。
薛彦卓|徐学松|倪宝玉|徐颖|孙建桥
哈尔滨工程大学船舶工程学院，中国黑龙江省哈尔滨市，150001
摘要
冰上船舶的结构安全评估长期以来一直是一个重大挑战。许多因素影响冰上船舶的结构安全性能，包括冰况、冰的运动、冰的破坏、流体效应以及船体的结构响应。船舶结构与冰山之间的碰撞可能是最危险的情况之一。为了模拟这一过程并评估结构安全性，本文建立了一个CFD-DEM-FEM全耦合数值模型，该模型可以同时考虑流体效应、结构响应和冰损伤。在该模型中，冰力、流体力和结构变形的数据交互是实时进行的。对船体框架板结构与冰山之间的碰撞进行了数值模拟。数值计算得到的冰力和变形结果与模型试验结果一致，验证了数值模型的准确性。在此基础上，研究了碰撞速度和板厚对船体框架板结构响应的影响。
引言
极地冰况复杂多变，严重的冰况如冰脊和冰山可能对船体造成损害。在冰区设计船舶时，冰载荷预测和船体结构安全评估一直是重大挑战。极地船舶在复杂的环境中运行，水的流体效应、冰的漂移和断裂以及船体本身的结构强度都会影响船舶与冰的碰撞过程。
用于研究船体-冰-水相互作用的数值模拟方法主要包括有限元方法（FEM）（Chen等人，2023；Zhao等人，2024）、离散元方法（DEM）（Zhong等人，2023；Sun等人，2023）、平滑粒子流体动力学（SPH）（Zhang等人，2019；Chen等人，2021）、基于理论计算的数值模拟（Xiong等人，2025；Ni等人，2025）以及一些衍生方法（Xue等人，2020；Li等人，2021；Ni等人，2024）。这些方法还可以与其他流体模拟方法结合使用，以考虑水的影响（Ni等人，2020）。Heinonen（2004）使用FEM基于Drucker-Prager屈服准则开发了一个连续介质本构模型来描述冰脊，并在此基础上模拟了冰脊对物体的压痕试验。Lau等人（2008）使用商业代码DECICE研究了船舶与冰的相互作用，该代码包括对冰脊机械行为的建模，并模拟了船舶与冰相互作用过程中的冰阻力。Sawamura和Tachibana（2011）使用DEM模拟了碎冰的堆积过程，并建立了船舶与冰脊相互作用的数值模型。他们在数值模拟中简化了流体效应，没有考虑船体的结构变形。Molyneux等人（2013）使用FEM-DEM耦合程序DECICE模拟了圆柱体与冰脊的相互作用。模拟结果优于ISO 19906和Mellor理论计算方法（Mellor，1983）得到的结果，但仍低于试验值。因此，他们建议在碎冰颗粒之间引入一个粘聚因子以改进模型。Poloj?rvi（2013）基于DEM使用块元素构建了一个三维非饱和冰脊模型，用该模型模拟了冰脊的压痕试验，并进一步开发了一种在二维FEM-DEM框架内模拟冰脊之间冻结键合的方法。Song等人（2015）使用LS-DYNA中的流体-结构相互作用模块模拟了球形浮冰与格栅结构的碰撞。格栅被视为刚性不可变形结构，而与格栅接触的浮冰前半部分被建模为可变形体，后半部分被视为刚体。碰撞现象和格栅应力与试验结果吻合良好。然而，这种方法仅允许浮冰发生弹性变形，无法模拟冰的破坏或断裂。Ince等人（2017）使用FEM模拟了冰脊与钢板的碰撞过程，钢板的结构响应与试验结果一致。
Zhou等人（2019）提出了一种基于理论推导的数值模拟工具，用于模拟船舶与水平冰和冰脊的相互作用。冰脊载荷由两部分组成：饱和层载荷和龙骨载荷。冰脊的破坏模式（弯曲或压碎）取决于船舶-冰接触表面的局部倾斜角度，冰载荷根据船体与碎冰之间的相对位置和运动来确定。然而，这种方法对船舶-冰碰撞过程进行了大量简化（例如，假设从水平冰断裂的碎冰呈方形），需要进一步改进和验证。Yoon等人（2023）通过开发基于势流理论-FEM耦合方法的Abaqus流体动力学子程序，实现了破冰船与刚性冰山碰撞的模拟。然而，该方法没有考虑流体动力效应对冰山的影响，也没有考虑冰山的变形和破坏。Shi等人（2023）基于FEM构建了一个简化的船舶-冰-水-空气耦合碰撞模型，考虑了船舶-冰碰撞过程中的船体结构响应和冰破坏。然而，流体场仅考虑了浮力和阻力，忽略了流体动力效应的影响。Feng等人（2023）使用SPH-FEM方法模拟了方形浮冰与格栅结构的碰撞。他们使用FEM对格栅进行建模，使用SPH粒子对方形浮冰的外层进行建模，使用FEM对内部进行建模，使用SPH对流体域进行建模。数值模拟得到的格栅应力和变形与试验结果一致。这种方法可以模拟浮冰外层的压碎和断裂，但无法模拟冰裂纹向浮冰内部的传播，因此无法模拟整个浮冰的断裂。Yang等人（2023）使用DEM-FEM耦合方法模拟了螺旋桨与冰的切割过程。他们考虑了叶片的结构响应和冰的压碎，但简化了流场并忽略了流体动力效应的影响。Zhou等人（2024）提出了一种基于CFD-DEM-FEM的方法，用于评估由冰载荷引起的船体疲劳损伤。该方法首先使用CFD-DEM计算船舶航行过程中的冰载荷，然后将这些动态载荷应用于船体的FEM模型以计算疲劳损伤。然而，这种方法不是完全实时的耦合方法，因为在CFD-DEM模型中船舶被视为刚体，未能考虑船体结构对冰载荷的响应反馈。
从以往研究的回顾中可以看出，越来越多的研究人员开始关注船舶-冰-水耦合场景。然而，已发表文献中的大多数数值模拟方法都在一定程度上简化了这一场景，例如忽略了水的影响、忽略了冰的断裂，或将船舶-冰碰撞过程与结构响应计算分开。这些是本文的主要动机。本文基于CFD-DEM模型和FEM模型提出了一种完全实时的船舶-冰-水耦合方法。该模型可以同时考虑流体效应、结构响应和冰损伤。通过与船体框架板结构与冰山碰撞的模型试验结果进行比较，验证了数值模型的准确性。在此基础上，讨论了碰撞速度和板厚对船舶-冰碰撞过程中结构响应的影响。
数值模型
CFD-DEM耦合方法常用于解决流体与离散固体之间的相互作用。它将流体视为连续介质，并通过有限体积法（FVM）等网格方法求解控制方程，得到流体的速度、压力和密度等物理量。另一方面，它将离散固体视为粒子，并通过DEM求解运动方程。
计算域
参考天津大学冰池中进行的船体框架板结构与冰山相互作用的模型试验，本文构建了一个结构-冰-水的完全耦合数值模型。具体来说，船体框架板结构使用FEM计算，冰山使用DEM计算，水使用FVM计算。数值计算的相关设置如下：该框架板结构由面板和肋条组成。
碰撞过程的验证与分析
选取了一个初始格栅速度为0.8 m/s的案例作为示例，分别计算了刚性格栅和1.5 mm厚的弹塑性格栅与冰体的碰撞过程，并将数值计算结果与天津大学冰池中相同案例的试验结果进行了比较和验证。耦合模拟使用具有16个核心和2.50 GHz基础频率的CPU进行。具体来说，CFD体积网格...
结论
本文建立了一种CFD-DEM-FEM耦合方法，实现了船舶-冰-水相互作用的完全耦合计算。通过使用该耦合模型，模拟了船体框架板结构与水中自由漂浮的冰山之间的碰撞。通过将数值模型和碰撞结果与实验数据进行比较，验证了其有效性。得出以下结论：
1.通过将CFD-DEM方法与FEM方法耦合，并实现两种算法之间的实时数据交换，实现了完全
作者贡献声明
薛彦卓：监督、项目管理、资金获取、概念构思。徐学松：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、形式分析、概念构思。倪宝玉：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、形式分析、概念构思。徐颖：验证、资源协调、项目管理、资金获取。孙建桥：验证、资源协调、项目管理。
资助
本工作得到了国家自然科学基金（编号52521009、W2541018、52192693、52192690、52371270、52350410468和W2433140）的支持，作者对此表示衷心感谢。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
