舷側(cè)齒型縱桁耐撞性初探

王 林，李南南

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與建筑工程學(xué)院，江蘇張家港215600)

(2.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

舷側(cè)齒型縱桁耐撞性初探

王 林1，李南南2

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與建筑工程學(xué)院，江蘇張家港215600)

(2.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

船舶碰撞通常導(dǎo)致船艙進(jìn)水或變形、海洋環(huán)境污染以及人員傷亡等后果.為提高船舶舷側(cè)的耐撞性，以某雙殼油船舷側(cè)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種齒型縱桁，并將其與傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，形成一種新型舷側(cè)結(jié)構(gòu).采用數(shù)值仿真軟件建立舷側(cè)模型，選取舷側(cè)3個(gè)典型位置，對(duì)比新舊結(jié)構(gòu)的吸能能力、碰撞力峰值和極限撞深.數(shù)值仿真結(jié)果表明:齒型縱桁舷側(cè)結(jié)構(gòu)具有較好的耐撞性.

船舶碰撞;雙殼船;耐撞性;齒型縱桁

國(guó)際海事組織(IMO)作為聯(lián)合國(guó)負(fù)責(zé)海上航行安全和防止船舶海洋污染的專門機(jī)構(gòu)，一直致力于海洋防污染和航行安全公約的制定和相關(guān)技術(shù)的推廣［1］，它于2003年制訂了雙殼油船規(guī)則.對(duì)于油輪來(lái)說(shuō)，雙殼結(jié)構(gòu)的設(shè)置不僅降低了碰撞、擱淺等事故發(fā)生后貨油泄露到大海中的幾率，同時(shí)也增大了船舶整體的強(qiáng)度和剛度.對(duì)于具有寬大貨艙口的船舶，設(shè)置雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)幾乎使剪力下降為原來(lái)的一半，大幅提高了船舶的抗剪能力.因此，在諸如FPSO、大型油船、大型集裝箱船和散貨船等，都會(huì)設(shè)置雙殼結(jié)構(gòu)［2］.

舷側(cè)縱桁(side stringer)是雙殼船上連接內(nèi)外殼板的縱向加強(qiáng)構(gòu)件，舷側(cè)縱桁作為肋板及其他構(gòu)件的支點(diǎn)，可以將載荷傳遞給強(qiáng)框架及內(nèi)縱艙壁［3］，因此，舷側(cè)縱桁對(duì)船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響很大.在船舶發(fā)生碰撞時(shí)，舷側(cè)內(nèi)外殼板是主要的吸能構(gòu)件，舷側(cè)縱桁由于連接這些主要吸能構(gòu)件，其剛度對(duì)載荷的傳遞產(chǎn)生重要影響.因此，許多學(xué)者和工程技術(shù)人員相繼設(shè)計(jì)了多種類型的舷側(cè)縱桁結(jié)構(gòu)來(lái)改善船舶的耐撞性能，文獻(xiàn)［4］中研究了菱形舷側(cè)結(jié)構(gòu)的角度問(wèn)題，文獻(xiàn)［5］中設(shè)計(jì)了帽形和半圓形舷側(cè)結(jié)構(gòu)等.

1 碰撞方案

船舶碰撞事故中，一般認(rèn)為一艘船的船首90°垂直撞擊另一艘船的舷側(cè)是最危險(xiǎn)的工況［6］.文中模擬排水量為10 000 t帶球鼻艏的船，以10 m/s的速度垂直撞擊載重噸159 000 DWT雙殼油船舷側(cè)的情況.在整船模型碰撞分析中，發(fā)現(xiàn)碰撞應(yīng)力區(qū)集中在8～10個(gè)肋位之間［7］.因此，選擇被撞船貨艙區(qū)的一個(gè)艙段，因船底和甲板在碰撞過(guò)程中吸能和變形較小，故將其略去，舷側(cè)與甲板和舭部的連接作為邊界用約束代替，建模區(qū)域?yàn)橄蟼?cè)部分，模型尺寸為19.2 m×18 m×2.4 m.被撞船材料為普通Q235船用碳素鋼，采用Cowper-Symonds本構(gòu)材料模型，并考慮材料應(yīng)變率敏感性影響，應(yīng)變率參數(shù)為40.4.圖1為該油船典型中橫剖面，圖中標(biāo)注了主要構(gòu)件的布置和尺寸.該船的有關(guān)參數(shù)見表1.

圖1 被撞船有限元模型(單位:mm)Fig.1 Finite element model of the damaged ship(unit:mm)

表1 159 000 DWT油船主尺度參數(shù)Table 1 Principle dimension of 159 000 DWT oil tanker

2 齒型縱桁設(shè)計(jì)思想

參與船體總縱強(qiáng)度的舷側(cè)縱向連續(xù)構(gòu)件有舷側(cè)外板、舷側(cè)縱桁和縱骨等［10］.文中提出一種新型(齒型)縱桁，即用鋼板將縱桁頂端兩側(cè)的縱骨相連，形成齒型結(jié)構(gòu).將其應(yīng)用于雙殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)上，取代傳統(tǒng)雙殼舷側(cè)間的縱桁結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)不變.當(dāng)舷側(cè)受到?jīng)_擊作用時(shí)，將有更多的結(jié)構(gòu)參與變形.為保持舷側(cè)的整體結(jié)構(gòu)性能，新型舷側(cè)縱桁與傳統(tǒng)舷側(cè)縱桁結(jié)構(gòu)質(zhì)量相等，原縱桁厚度為12 mm，齒型縱桁厚度近似取為11 mm，如圖2.

圖2 新舊縱桁對(duì)比(單位:mm)Fig.2 Comparison chart of new and old stringer(unit:mm)

3 有限元模型及工況

碰撞位置:傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)和齒型縱桁舷側(cè)結(jié)構(gòu)的撞擊位置分別如圖3中所示的3個(gè)位置:位置1為縱桁和橫框架的交點(diǎn);位置2為縱桁上的橫框架中間位置;位置3為縱桁和橫框架圍成的長(zhǎng)方體空箱位置，有限元模型和碰撞方案如圖3，表2為工況對(duì)比分組情況.

圖3 舷側(cè)雙殼結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.3 FEM of the double side structure

表2 工況對(duì)比分組Table 2 Load case comparision group

4 新舊雙殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能分析

4.1 損傷變形

圖4為傳統(tǒng)雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)在碰撞時(shí)間t=0.315 s時(shí)內(nèi)殼板破裂，此時(shí)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的極限撞深D為3.022 48 m，外板和外縱骨主要發(fā)生拉伸和撕裂變形，縱桁和框架主要發(fā)生壓皺變形.

圖4 傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞損傷變形(t=0.315 s)Fig.4 Damage deformation of the old struck side structure

圖5為新型雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)在t=0.340 s時(shí)內(nèi)殼板破裂，此時(shí)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的極限撞深D為3.043 m，外板和外縱骨主要發(fā)生拉伸和撕裂變形，縱桁和框架主要發(fā)生壓皺變形.新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷變形如圖5.

圖5 新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞損傷變形(t=0.340 s)Fig.5 Damage deformation of the new struck side structure

4.2 能量吸收

圖6為傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)和齒型縱桁舷側(cè)結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中的能量E曲線.從該曲線可以看出:①結(jié)構(gòu)各部分的能量曲線趨勢(shì)呈現(xiàn)一致性，在碰撞載荷下的結(jié)構(gòu)吸能首先隨著撞深D的增加而增加，達(dá)到最大值后逐漸趨于定值;② 在傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)中，外板吸收能量最多，是結(jié)構(gòu)的主要吸能構(gòu)件，其次是強(qiáng)框架，然后是縱桁和內(nèi)縱艙壁，縱骨吸收能量最少;③新型縱桁舷側(cè)結(jié)構(gòu)中縱桁代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)中舷側(cè)外板成為主要的吸能結(jié)構(gòu)，其次是舷側(cè)外板，然后是框架和內(nèi)縱艙壁;④值得一提的是，新型結(jié)構(gòu)中面板、強(qiáng)框架和內(nèi)縱艙壁的吸能也有增加.表3為新舊舷側(cè)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在極限撞深時(shí)刻對(duì)應(yīng)的吸能結(jié)果匯總.

圖6 吸能-撞深歷程曲線Fig.6 Energy absorption-displacement curves

表3 舷側(cè)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件吸能Table 3 Energy absorption of structural components

4.3 碰撞力和撞頭速度變化

圖7為傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)和新型(齒型)縱桁舷側(cè)結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中的碰撞力F-撞深D曲線.由該曲線可以看出:①碰撞力曲線具有明顯的波動(dòng)性，這是由于構(gòu)件出現(xiàn)多次加載卸載過(guò)程;② 新舊結(jié)構(gòu)的碰撞力都具有兩個(gè)明顯的峰值載荷，分別對(duì)應(yīng)內(nèi)外板破裂時(shí)撞深，且新式結(jié)構(gòu)的碰撞力普遍高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這是由于新型結(jié)構(gòu)的剛度較原結(jié)構(gòu)大.圖8為傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)和齒型縱桁舷側(cè)結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中的速度-撞深歷程曲線.從該曲線可以看出:兩種結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的撞球在碰撞沖擊載荷作用下的速度曲線趨勢(shì)一致，速度首先減少后逐漸趨于定值，此時(shí)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)撞頭的速度由10 m/s減少到8.77 m/s，新型結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)撞頭的速度由10 m/s減少到8.45 m/s.表4為新舊結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)比.

圖8 撞球速度變化曲線Fig.8 Velocity-time curves

圖7 碰撞力-撞深曲線Fig.7 Collision force-displacement curve

表4 新舊結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 4 Calculation results of new and old structure

4.4 齒型縱桁舷側(cè)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性能比較

傳統(tǒng)及齒型縱桁舷側(cè)結(jié)構(gòu)性能碰撞數(shù)見表5.

表5 傳統(tǒng)及齒型縱桁舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能參數(shù)Table 5 Results of two side structures

續(xù)表

5 結(jié)論

1)將齒型舷側(cè)縱桁應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)上時(shí)舷側(cè)外板和內(nèi)縱艙壁之間的結(jié)構(gòu)剛度降低，齒型縱桁端部連接舷側(cè)外板區(qū)域增大，可以使雙殼船舶舷側(cè)有更多結(jié)構(gòu)參與變形，增加結(jié)構(gòu)的能量吸收能力;

2)對(duì)于齒型縱桁舷側(cè)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)，當(dāng)撞擊位置在1、2處，結(jié)構(gòu)吸能分別增加33.%和18.9%，結(jié)構(gòu)失效時(shí)間較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)略有延遲;當(dāng)撞擊位置在3處，結(jié)構(gòu)吸能、失效時(shí)間、撞球剩余速度、碰撞力均與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相近;

3)在傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)中，舷側(cè)外板是主要的吸能構(gòu)件，新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)中，縱桁的吸能明顯增加，外板縱骨吸能與強(qiáng)框架吸能能力相差懸殊.

References)

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(責(zé)任編輯:貢洪殿)

Study on crashworthiness of tooth grider side structure

Wang Lin1，Li Nannan2

(1.School of Naval Architecture and Civil Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhangjiagang Jiangsu 215600，China) (2.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

Ship collision is a common form of marine accidents，usually resulting in Cabin floods or deformation，marine pollution and casualties and other consequences.In order to improve the crashworthiness of ship broadside，we take a double hull oil tanker as the research object，design a tooth girder，and apply it to the traditional side structure.Using numerical simulation software ABAQUS，we establish a broadside model，select three typical broadside positions，and compare the energy absorption capacity，the impact force and limit hit depth of the new and the old structures.Simulation results show that the tooth stringer side structure has better crashworthiness.

ship collision;double hull tanker;broadside crashworthiness;tooth stringer

U663

A

1673-4807(2015)06-0516-05

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.002

2015-04-01

王林(1963—)，男，教授，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué).E-mail:wlin40@163.com

王林，李南南.舷側(cè)齒型縱桁耐撞性初探［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，29(6):516-520.