极地船舶船体在热应力与冰载荷耦合作用下的非线性响应机制及安全评估研究

　　针对极地船舶在低温与冰载荷耦合作用下结构安全评估的空白，研究人员采用CFD与显式有限元耦合方法，系统分析了-10°C至-60°C温度梯度与3-10 m/s冰速对船体结构的复合影响。研究发现低温预载效应会抑制冰载荷应力增长但放大非线性变形79%，为极地船舶设计提供了关键理论支撑。

　　

在极地航运与资源开发日益重要的今天，船舶在极寒环境下面临着低温与冰载荷的双重挑战。北极冬季平均温度可达-60°C，而南极更低，这种极端条件不仅会改变船用钢材的力学性能，还会产生复杂的温度梯度应力。更棘手的是，气候变暖导致冰川退缩，航道中浮冰和冰山数量增加，船舶与冰碰撞风险显著上升。然而，现有研究多聚焦单一因素，对温度与冰载荷的耦合作用缺乏系统认知，这给极地船舶的安全设计与评估带来了巨大隐患。

针对这一关键问题，中国的研究团队在《Applied Ocean Research》发表了一项创新性研究。他们采用计算流体力学(CFD)与显式有限元耦合的数值方法，构建了包含1/2+1+1/2肋骨的船体段模型，通过-10°C、-30°C和-60°C三级温度场模拟，结合3 m/s、5 m/s和10 m/s冰速碰撞场景，首次系统揭示了热-冰耦合载荷下船体结构的非线性响应规律。研究还通过EH36钢的准静态拉伸试验获取了低温材料参数，采用MAT24模型和MAT_ADD_THERMAL_EXPANSION选项实现热-力耦合计算，并通过VOF多相流模型精确模拟冰-水界面行为。

在温度场分布方面，研究发现船体侧板呈现显著的非均匀特征：水线以下温度稳定在0°C，而水线以上0.8米范围内形成陡峭的温度梯度。在-60°C时，框架导热延迟效应使肋骨温度比侧板低2-3°C。这种梯度分布导致热应力在水线以上0.8米处形成165.1 MPa的峰值，比-10°C时激增6倍，远超材料强度随温度下降的增幅(仅11.3%)。

材料性能测试显示，EH36钢在-60°C下屈服强度达426 MPa，但弹性模量出现反常下降。这种非线性变化通过真应力-应变曲线导入仿真，为热应力分析提供了精确输入。值得注意的是，温度梯度引发的预载应力会改变结构刚度特性，使冰载荷作用下的应力集中区域发生偏移。

在耦合载荷响应方面，研究发现了独特的"抑制-放大"效应：-60°C时热应力使冰载附加应力降低67%，却使位移峰值增加79%。3 m/s冰速碰撞下，结构变形呈现双峰特征，而10 m/s冲击则导致应力集中区完全转移。这种非线性响应源于热预载与冰载应力场的空间错位，传统线性叠加理论无法准确预测。

该研究首次量化了极地环境热-冰耦合载荷的协同效应，证明忽略温度效应会严重低估79%的变形风险。提出的CFD-FEM耦合方法突破了传统设计的局限性，为极地船舶安全评估提供了新范式。研究强调，在-60°C极端条件下，热应力主导的结构预载会显著降低船体抗冲击性能，这一发现对修订极地船舶规范具有重要指导意义。未来研究需进一步考虑横向温度梯度与内部空气对流的影响，并通过低温实验验证数值模型的准确性。