基于結(jié)構(gòu)性能快速評估的艦船碰撞損傷剩余強(qiáng)度分析

潘盧毅 唐文勇 薛鴻祥 張圣坤

上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240

基于結(jié)構(gòu)性能快速評估的艦船碰撞損傷剩余強(qiáng)度分析

潘盧毅 唐文勇 薛鴻祥 張圣坤

上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240

從艦船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析領(lǐng)域的實(shí)際工程需要出發(fā)，指出艦船結(jié)構(gòu)性能快速評估的作用與意義，結(jié)合多種計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，探討基于數(shù)值仿真的艦船結(jié)構(gòu)性能快速評估方法，同時搭建初步的快速評估系統(tǒng)框架。艦船結(jié)構(gòu)碰撞損傷實(shí)例分析表明，該快速評估系統(tǒng)可以同步快速分析各種碰撞損傷以及對應(yīng)損傷狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度，體現(xiàn)出基于結(jié)構(gòu)性能快速評估技術(shù)的數(shù)值仿真方法在艦船損傷剩余強(qiáng)度評估領(lǐng)域的優(yōu)勢。

數(shù)值仿真；結(jié)構(gòu)性能快速評估；艦船碰撞損傷；剩余強(qiáng)度

1 引言

在艦船結(jié)構(gòu)性能分析領(lǐng)域，廣義直接設(shè)計(jì)方法正在逐步發(fā)展，將艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析與評估結(jié)合成一個完整的數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)，將船舶結(jié)構(gòu)安全性評估的范圍從完整結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到存在損傷的結(jié)構(gòu)，從而提供全壽命周期內(nèi)結(jié)構(gòu)評估與維護(hù)的先進(jìn)工具和手段［1］。

由于海上受損艦船的結(jié)構(gòu)安全性直接關(guān)系到人員生命、貨物安全和運(yùn)營能力，因此，新型結(jié)構(gòu)性能評估方法將重點(diǎn)應(yīng)用于對艦船結(jié)構(gòu)突發(fā)損傷的快速評估、決策支持，以提供緊急搶修維護(hù)，保證艦船維持盡可能高的安全度和運(yùn)營性能。在此情況下，需要通過岸基或艦載電腦計(jì)算程序快速獲得妥善處置措施的技術(shù)支持［2］。

發(fā)生結(jié)構(gòu)破損的艦船剩余承載能力，是影響受損艦船剩余生命力最重要的因素。根據(jù)結(jié)構(gòu)性能快速評估的特點(diǎn)，利用在實(shí)際工程領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的可靠的CAE技術(shù)［3］，本文構(gòu)建了一種快速、準(zhǔn)確并具備再評估能力的艦船結(jié)構(gòu)性能快速評估系統(tǒng)，并在碰撞破損艦船剩余強(qiáng)度分析中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

2 艦船結(jié)構(gòu)性能快速評估

2.1 快速評估方法總原則

艦船結(jié)構(gòu)性能快速評估的目的，是以快速、經(jīng)濟(jì)的方法得到海量的評估結(jié)果，覆蓋艦船全壽命周期各項(xiàng)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，并能快速應(yīng)對艦船海上突發(fā)損傷。具體手段為，事先對目標(biāo)艦船建立完備的能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)性能的全船數(shù)值仿真模型［4］，并依據(jù)實(shí)際運(yùn)營情況設(shè)計(jì)最可能的艦船損傷模式，使用數(shù)值仿真方法預(yù)先模擬艦船在不同損傷下的結(jié)構(gòu)性能。當(dāng)艦船遭遇實(shí)際損傷時，即以此為依據(jù)，調(diào)用特征情況相近的模擬結(jié)果，或根據(jù)實(shí)際情況修改、調(diào)試數(shù)值模型，對艦船的結(jié)構(gòu)損傷程度、剩余生存能力做出快速評估，并可根據(jù)評估結(jié)果及時提出現(xiàn)場搶救及后續(xù)維護(hù)的合理建議。

快速評估系統(tǒng)基于數(shù)值仿真技術(shù)建立，應(yīng)滿足三大原則：

1）快速可重復(fù)性。評估系統(tǒng)應(yīng)能充分利用已有的數(shù)值仿真數(shù)據(jù)，以較小的改動進(jìn)行再評估分析，快速獲得多樣全面的評估結(jié)果。

2）工程準(zhǔn)確性。進(jìn)行快速評估的分析項(xiàng)目，可以利用數(shù)值仿真方法，在工程精度允許范圍內(nèi)進(jìn)行合理的仿真分析。

3）數(shù)據(jù)共享性。在各種數(shù)值仿真軟件平臺中獲得的分析結(jié)果，能夠彼此快速調(diào)用，從而可在不同的軟件平臺對不同艦船結(jié)構(gòu)性能展開全流程協(xié)同性分析。

2.2 快速評估方法的實(shí)現(xiàn)

基于以上標(biāo)準(zhǔn)，本文通過二次開發(fā)搭建數(shù)據(jù)接口，將多種商業(yè)通用數(shù)值仿真軟件串接起來，實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)和分析結(jié)果共享，快速完成各個環(huán)節(jié)的艦船結(jié)構(gòu)性能分析計(jì)算。

以MSC／Patran作為快速評估系統(tǒng)主平臺，在Tribon中完成艦船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過二次開發(fā)軟件，直接將Tribon模型導(dǎo)入到Patran中并自動生成艦船結(jié)構(gòu)有限元分析模型，經(jīng)由二次開發(fā)功能組件完善結(jié)構(gòu)模型，作為后續(xù)快速評估系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的分析對象［5］。

在艦船結(jié)構(gòu)分析、艦船結(jié)構(gòu)損傷模擬時，為更真實(shí)地模擬整船實(shí)際受載情況，波浪載荷與慣性載荷，也采用數(shù)值仿真方法獲得。在SESAM水動力計(jì)算軟件中，基于三維勢流理論計(jì)算艦船在波浪上的運(yùn)動響應(yīng)，通過PCL二次開發(fā)提取船體濕表面波浪載荷，并映射到Patran軟件平臺中的分析模型上。采用慣性力平衡計(jì)算方法［6］，在單元節(jié)點(diǎn)自動施加慣性力，以平衡艦船在波浪上運(yùn)動時的運(yùn)動加速度，使艦船處于準(zhǔn)靜態(tài)平衡狀態(tài)。

通常艦船的損傷形式可以分為累積性損傷及突發(fā)性損傷兩種，前者包括腐蝕、疲勞等；后者包括碰撞和觸礁、擱淺、爆炸、火災(zāi)等［7］。在快速評估系統(tǒng)中，累積性損傷使用Nastran進(jìn)行靜態(tài)線性分析，突發(fā)性損傷則涉及瞬態(tài)非線性問題，使用Dytran求解器分析。

最終，通過二次開發(fā)手段，可以將模型的損傷塑性變形及構(gòu)件失效情況真實(shí)還原，用來進(jìn)行后續(xù)分析［8］，比如 Dytran中的多次損傷分析和ABAQUS中的剩余強(qiáng)度分析。

由此形成如圖1所示艦船結(jié)構(gòu)性能快速評估系統(tǒng)，滿足快速可重復(fù)性、工程準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)共享性三大原則。

圖1 艦船結(jié)構(gòu)性能快速評估系統(tǒng)Fig.1 Fast evaluation system of naval vessel structure

3 艦船碰撞損傷剩余強(qiáng)度快速評估實(shí)例

利用艦船結(jié)構(gòu)性能快速評估系統(tǒng)，可以自由地設(shè)計(jì)多種艦船碰撞損傷模式，對艦船運(yùn)營期間可能遭遇的碰撞損傷后的剩余強(qiáng)度做出快速評估。具體在碰撞損傷剩余強(qiáng)度分析中的體現(xiàn)就是，自動生成有限元模型、碰撞模擬與極限強(qiáng)度分析數(shù)據(jù)共享，以及批量產(chǎn)生分析結(jié)果。

3.1 艦船剩余強(qiáng)度衡準(zhǔn)

剩余強(qiáng)度因子法，是一種通過比較完整態(tài)艦船極限強(qiáng)度和損傷態(tài)艦船極限強(qiáng)度來定量判定艦船損傷后剩余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法，剩余強(qiáng)度因子可以定義如下［9］：

式中，Mdamage是損傷艦船的極限承載彎矩；Mintact是完整艦船的極限承載彎矩。

所以，對艦船結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的研究，包含了對完整艦船和損傷艦船結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的研究。目前，以Smith方法為理論基礎(chǔ)，以商業(yè)有限元軟件為分析手段的艦船剩余強(qiáng)度數(shù)值仿真已經(jīng)取得令人滿意的結(jié)果［10］。

3.2 艦船碰撞損傷剩余強(qiáng)度數(shù)值仿真

快速評估系統(tǒng)分析艦船碰撞損傷剩余強(qiáng)度的特點(diǎn)在于，通過二次開發(fā)，使用數(shù)值仿真軟件完成各環(huán)節(jié)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果與模型的共享，從而可以連續(xù)完成艦船碰撞分析和該碰撞發(fā)生后的極限強(qiáng)度數(shù)值仿真分析。具體仿真流程見圖2。

圖2 艦船碰撞損傷剩余強(qiáng)度數(shù)值仿真流程Fig.2 Numerical simulation process of collision damaged ship residual strength

1）模型生成

艦船模型首先在Tribon中完成詳細(xì)設(shè)計(jì)，選取其XML文件，通過二次開發(fā)接口在Patran中自動生成全船有限元模型（圖3），并使用二次開發(fā)模塊，完成網(wǎng)格劃分、自動分組、材料創(chuàng)建，單元屬性賦值。

圖3 目標(biāo)艦船全船有限元模型Fig.3 Global FEM model of the target ship

2）碰撞分析

自動導(dǎo)入生成的模型，共有節(jié)點(diǎn)28 763個，板單元及梁單元43 221個，其中，使用板單元模擬船體板、各層甲板、艙壁和上層建筑外板等；使用梁單元模擬加強(qiáng)筋，用質(zhì)量點(diǎn)模擬船舶排水量3 500 t時的吃水和重心位置。另將船首部分作為撞擊部，使用剛性材料（Rigid）建模，賦予撞擊部整船的質(zhì)量，模擬目標(biāo)艦船被同型船從舷側(cè)成90°撞擊。根據(jù)1999年雅典國立科技大學(xué)Servis和Samuelides的研究［11］，在船體濕表面水線附近使用質(zhì)量點(diǎn)（40%全船質(zhì)量）模擬附連水質(zhì)量見圖4。模型的材料為彈塑性材料，應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖5，考慮材料強(qiáng)化效應(yīng)，無應(yīng)變速率強(qiáng)化。失效模式為最大塑性應(yīng)變失效，最大失效塑性應(yīng)變?yōu)?.18。

圖4 碰撞模型及附連水質(zhì)量點(diǎn)Fig.4 Model of collision and mass points of surrounding water

圖5 鋼材真實(shí)應(yīng)力與塑性應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Steel real stress－strain relationship

通過直接修改Dytran生成的dat計(jì)算文件中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)完成兩個損傷工況（表1）的碰撞模擬后，使用自行編制的PCL程序，讀取記錄節(jié)點(diǎn)位移的rpt文件，將完整模型的單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行偏移，并除去失效單元，獲得損傷艙段模型見圖6。

表1 碰撞模擬工況Tab.1 Cases of collision simulation

圖5 工況1中艙段變形結(jié)果與損傷艙段模型Fig.5 Damage result and damaged midship model of case 1

3）極限強(qiáng)度分析

截取船中剖面慣性矩最小部分中艙段區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)艙段，通過bdf文件導(dǎo)入ABAQUS，直接生成帶有材料設(shè)置、單元屬性和梁單元偏置的艙段分析模型。材料屬性如下：在彈性階段，彈性模量E為2.1E11，泊松比為0.3；在塑性階段，材料真實(shí)應(yīng)力與塑性形變關(guān)系曲線由鋼材單向拉伸試驗(yàn)得到，如圖7所示；材料延展破壞應(yīng)變（fracture strain）設(shè)置為0.85，三向應(yīng)力比（stress triaxiality）設(shè)置為0.33；不考慮應(yīng)變速率效應(yīng)［12］。

根據(jù)歐盟2000年DEXTREME項(xiàng)目中的全船數(shù)值方法分析的設(shè)置，導(dǎo)入后的分析艙段兩端面所有節(jié)點(diǎn)使用聯(lián)接（coupling）方式與端面形心連接（圖7），并在兩個剛性端面的重心處，分100步逐步添加總量為0.5弧度的垂向彎曲邊界 （圖8），以模擬在總縱彎曲狀態(tài)下艙段逐步崩潰的過程，獲得危險(xiǎn)剖面彎矩與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。

進(jìn)行艦船碰撞損傷后極限強(qiáng)度計(jì)算時，直接使用碰撞分析所獲得的碰撞損傷后目標(biāo)艦艙段模型（圖9～圖10）作為分析目標(biāo)。

圖7 導(dǎo)入ABAQUS中的分析中艙段模型Fig.7 Analysis model of midship in ABAQUS

圖8 分析艙段完整狀態(tài)中垂工況下極限彎曲變形Fig.8 Ultimate bending deformation of intact analysis model in sagging

圖9 目標(biāo)艦船碰撞損傷下艙段分析模型Fig.9 Target ship damaged model in collision

圖10 含碰撞損傷分析艙段工況1中拱工況下極限彎曲變形Fig.10 Ultimate bending deformation in hogging of damaged analysis model

4）剩余強(qiáng)度

根據(jù)上文分析得到目標(biāo)艦船完整態(tài)及碰撞損傷工況的極限強(qiáng)度（表2），由式（1）可獲得不同碰撞損傷下的艦船剩余強(qiáng)度（圖11，表3）。

表2 分析剖面極限強(qiáng)度Tab.2 Ultimate strength of analysis section

表3 碰撞損傷下艦船剩余強(qiáng)度Tab.3 Residual strength of damaged ship

圖11 目標(biāo)艦船極限承載能力曲線Fig.11 Ultimate bearing capacity curve of target ship

4 結(jié)論

艦船結(jié)構(gòu)性能快速評估系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)是通過對各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析通用軟件的聯(lián)合運(yùn)用，快速、準(zhǔn)確并最大化地將數(shù)值仿真技術(shù)引入到艦船結(jié)構(gòu)性能分析的各個環(huán)節(jié)中。本文基于此系統(tǒng)方法，利用二次開發(fā)技術(shù)，在完成艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型之后，實(shí)現(xiàn)了艦船有限元分析模型自動生成、損傷模式批量模擬、損傷模型再評估分析等。通過數(shù)據(jù)共享，在同一個框架內(nèi)完成艦船碰撞數(shù)值仿真與對應(yīng)碰撞損傷后的剩余強(qiáng)度數(shù)值分析，并能批量分析不同的損傷模式，較好地解決了數(shù)值有限元技術(shù)在艦船結(jié)構(gòu)性能分析應(yīng)用中建模耗費(fèi)高、運(yùn)算耗時大的問題。

本文提出的艦船結(jié)構(gòu)性能快速評估系統(tǒng)，以及自行開發(fā)的多種通用軟件平臺數(shù)據(jù)接口，還能應(yīng)用于艦船之外的其他結(jié)構(gòu)性能快速評估中。

［1］PAIK J K，MELCHERS R E，eds.Condition assessment of aged structures［M］.Cambridge，UK：Woodhead Publishing Limited，2008：54－287.

［2］陳晨.船舶應(yīng)急服務(wù)（ERS）介紹［J］.中國水運(yùn)，2008，9（9）：5－7.

［3］吳廣明.CAE在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及展望 ［J］.中國艦船研究，2007，2（6）：30－34.

［4］陳慶強(qiáng)，朱勝昌，郭列，等.用整船有限元模型分析方法計(jì)算艦船的總縱強(qiáng)度［J］.船舶力學(xué)，2004，8（1）：79－85.

［5］劉瑞東，唐文勇，劉俊，等.基于三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析軟件平臺的艦船結(jié)構(gòu)性能快速評估 ［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31（5）：9－14.

［6］劉俊，汪庠寶，韓繼文.運(yùn)用NASTRAN進(jìn)行波浪載荷作用下船體強(qiáng)度分析［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39（5）：711－714.

［7］陳鐵云，王德禹，黃震球.船舶結(jié)構(gòu)終極承載能力［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2005：1－14.

［8］馮剛，朱錫，張振華.水下爆炸載荷作用下受損加肋圓柱殼的剩余屈曲強(qiáng)度計(jì)算［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，16（4）：97－101.

［9］FANG C，DAS P K.Hull girder ultimate strength of damaged ships［C］／／Proceedings of the 9th Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures. Luebeck－Travemuende，Germany，2004：309－316.

［10］GUEDES S，LUIS R M，NIKOLOV P I，et al.Benchmark study on the use of simplified structural codes to predict the ultimate strength of a damage ship hull［J］.International Ship Progress，2008，55：87－107.

［11］DIMITRIS P，SERVIS M S.Ship collision analysis using finite elements［C］//Safer Europol Spring Meeting.Nantes，1999：1－29.

［12］VOUDOURIS G，SERVIS D P，SAMUELIDES M.Ultimate load calculations Finite Element Analysis［R］.DEXTREMEL Project（Contract No.BRPR－CT97－513），Document Ref.No.DTR－4.3－NTUA－11.00，2000.

Analysis of Collision Damaged Ship's Residual Strength Based on Fast Assessment of Structural Properties

Pan Lu－yiTang Wen－yong Xue Hong－xiang Zhang Sheng－kun
School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

As the requirement that actual project needs analyzing ship structural strength，we found that it is so necessary to do fast assessment for naval vessel structural properties.So based on numerical simulations by multiple kinds of computer aided softwares，we probed into the method of fast assessment and established a preliminary framework with the combination of a variety of CAE software.Ship collision damage analysis in this paper，for example，demonstrated the feasibility of this fast assessment system，which could sync quickly analyze all kinds of collision damage and corresponding damaged structural residual strength.All reflect the advantages of numerical simulation method，which based on fast assessment of structure，in the field of damaged ship＇s residual strength evaluation.

numerical simulation；fast assessment of structure；ship collision damage；residual strength

U661.43

：A

：1673－3185（2011）04－08－05

2010-09-16

“十一五”海軍預(yù)先研究項(xiàng)目

潘盧毅（1986－），男，碩士研究生。研究方向：艦船結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)庫。E-mail：panluyi＠sjtu.edu.cn

唐文勇（1970－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)。E-mail：wytang@sjtu.edu.cn

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.002