新型舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)耐撞性能研究

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(1.華中科技大學(xué) 船舶工程學(xué)院，武漢 430074；2.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上開(kāi)展結(jié)構(gòu)耐撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)固然可以改善其耐撞性能，但其抗撞能力的提高卻是非常有限的。因此，新式耐撞結(jié)構(gòu)的研究近年來(lái)受到了一定程度的重視。本文從船舶結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，用ABAQUS/EXPLICIT數(shù)值仿真計(jì)算的方法，探究碰撞過(guò)程中結(jié)構(gòu)的損傷變形及吸能的力學(xué)機(jī)理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)3種新型船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐撞性對(duì)比分析。

1 船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)吸能機(jī)理概述

舷側(cè)耐撞結(jié)構(gòu)是指在碰撞載荷的作用下，結(jié)構(gòu)通過(guò)一定的塑性應(yīng)變來(lái)吸收碰撞的能量，即在結(jié)構(gòu)遭到碰撞時(shí)，能夠通過(guò)犧牲一些非主要構(gòu)件或者船舶的外板以及外板上的構(gòu)件吸收能量，以起到保護(hù)船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)和重要設(shè)備的作用，使船舶仍具有抗沉性和較強(qiáng)的剩余強(qiáng)度[1-2]。船舶吸能結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)足船舶常規(guī)強(qiáng)度，在使用要求下，安全可靠、成本合理、簡(jiǎn)單易行，且對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)重量沒(méi)有較大的影響[3-5]。受到碰撞載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)在載荷的作用下發(fā)生變形，在位移處載荷達(dá)到峰值pmax，此時(shí)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部失效破壞，此后結(jié)構(gòu)受到持續(xù)壓潰載荷pav，pav和壓潰位移的乘積就是試件的可吸收能量。提高試件的緩沖吸能特性必須降低峰值載荷和提高持續(xù)壓潰載荷，具體可以用“比吸能”來(lái)衡量。

2 有限元模型

船舶之間的碰撞可能有多種情況，而一艘船舶的球鼻艏垂直撞擊另一艘船舶的舷側(cè)結(jié)構(gòu)是最危險(xiǎn)的情況之一。選擇此碰撞場(chǎng)景進(jìn)行仿真分析。根據(jù)實(shí)際碰撞事故的調(diào)查結(jié)果，碰撞損傷將局限在球鼻艏與舷側(cè)結(jié)構(gòu)相接觸的區(qū)域。

碰撞模型包括雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)和球鼻艏兩部分，見(jiàn)圖1。球鼻艏結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2。

圖1 傳統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)碰撞模型

圖2 球鼻艏結(jié)構(gòu)

為使撞頭質(zhì)量與碰撞船的質(zhì)量一致，賦予撞頭的材料密度為1 115 636 kg/m3，并賦予撞頭的初速度為10 m/s，使其具有相當(dāng)于撞擊船舶的初動(dòng)能。根據(jù)舷側(cè)結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)，確定其邊界條件為四周剛性固定。舷側(cè)結(jié)構(gòu)采用考慮應(yīng)變率敏感性的彈塑性材料，并根據(jù)模型中最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)確定最大塑性失效應(yīng)變。材料密度7 800 kg/m3;彈性模量210 GPa;泊松比0.3。

以傳統(tǒng)雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)改變雙層舷側(cè)縱桁的結(jié)構(gòu)形式，分別進(jìn)行仿真計(jì)算，分析比較各種結(jié)構(gòu)形式對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗撞性能的影響，設(shè)計(jì)帽形、菱形、半圓管形3種新型縱桁形式的雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)模型。

1)傳統(tǒng)雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)具有外殼板、內(nèi)殼板、舷側(cè)縱桁、舷側(cè)縱骨和橫框架等主要結(jié)構(gòu)件。雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)主要尺度為寬32 m、長(zhǎng)50 m、高23 m、舷側(cè)縱桁間距5.95 m。見(jiàn)圖3。

圖3 傳統(tǒng)雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)

2)帽形舷側(cè)結(jié)構(gòu)。在原有的骨架基礎(chǔ)上，在舷側(cè)縱桁的內(nèi)外兩端增加了一個(gè)梯形的結(jié)構(gòu)。見(jiàn)圖4。

圖4 帽形舷側(cè)結(jié)構(gòu)

3)菱形舷側(cè)結(jié)構(gòu)。在原有的骨架基礎(chǔ)上，只改變縱桁的結(jié)構(gòu)形式，將傳統(tǒng)的平板縱桁改為菱形舷側(cè)結(jié)構(gòu)，該菱形寬2.2 m、高1.7 m，見(jiàn)圖5。

4)半圓管形舷側(cè)結(jié)構(gòu)。在原有骨架的基礎(chǔ)上，在縱桁的兩端增加一個(gè)半圓管形的結(jié)構(gòu)，以增加結(jié)構(gòu)的塑性變形，半圓管半徑0.85 m，見(jiàn)圖6。

圖5 菱形舷側(cè)結(jié)構(gòu)

圖6 半圓管形舷側(cè)結(jié)構(gòu)

3 舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞仿真結(jié)果及分析

4種結(jié)構(gòu)形式都是通過(guò)改變舷側(cè)縱桁來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，舷側(cè)縱桁的塑性變形能吸收情況最受關(guān)注；由于船舶的機(jī)械設(shè)備和其它結(jié)構(gòu)都在舷側(cè)內(nèi)板之內(nèi)，碰撞所產(chǎn)生的能量要向船舶的底部及甲板傳播也必然經(jīng)過(guò)舷側(cè)內(nèi)板，舷側(cè)內(nèi)板的抗撞性能提高了說(shuō)明雙層舷側(cè)的抗撞性也提高了，進(jìn)而說(shuō)明整艘船的耐撞性能提高了。因此，對(duì)于船舶的局部結(jié)構(gòu)雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)，舷側(cè)內(nèi)板的吸能情況及最大變形量、舷側(cè)內(nèi)板碰撞最近點(diǎn)的加速度響應(yīng)是衡量該結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的重要參考指標(biāo)。

3.1 碰撞區(qū)結(jié)構(gòu)損傷變形

內(nèi)殼板的破裂會(huì)引起嚴(yán)重后果，這應(yīng)該作為碰撞事故的極限狀態(tài)。因此，仿真計(jì)算至少應(yīng)進(jìn)行至撞頭將內(nèi)殼板撞破的時(shí)刻。實(shí)際的碰撞事故中，球鼻艏可能撞擊在舷側(cè)縱桁和橫框架的交叉處，這是舷側(cè)板架結(jié)構(gòu)最強(qiáng)的部位，這種情況下的碰撞力會(huì)很大。由于力的傳遞作用，內(nèi)殼板的材料可能于船艏觸及之前已經(jīng)失效(但也可能不失效，因?yàn)榇私徊娌课坏膭偠冗€不至于像球鼻艏那樣大)。

利用ABAQUS軟件對(duì)上述碰撞模型進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，追蹤計(jì)算直到舷側(cè)內(nèi)殼板被撞頭貫穿。舷側(cè)結(jié)構(gòu)的損傷變形見(jiàn)圖7。

圖7 舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷變形

從圖7中可以看出，結(jié)構(gòu)的損傷變形主要集中在撞擊區(qū)域，這預(yù)示著船體結(jié)構(gòu)抗撞能力的提高應(yīng)著眼于容易遭受撞擊的薄弱區(qū)域，大范圍的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)措施是不必要的。從圖7還可以看出，損傷區(qū)域的形狀特征與撞擊船艏的大小和形式有很大關(guān)系，可見(jiàn)，船體結(jié)構(gòu)耐撞性研究不能脫離撞擊船的船艏形式而孤立地進(jìn)行，因?yàn)椴煌淖差^形式可能導(dǎo)致不同的損傷變形模式，從而帶來(lái)結(jié)構(gòu)破壞形式和吸能計(jì)算方法上的差異。針對(duì)大型油船這樣一個(gè)具體的舷側(cè)結(jié)構(gòu)，在高能量碰撞情況下，不僅舷側(cè)外板會(huì)發(fā)生拉伸破裂，肋骨出現(xiàn)嚴(yán)重的面內(nèi)彎曲和側(cè)向彎曲，而且在前傾船艏的撞擊下，甲板還可能發(fā)生剪切破壞和動(dòng)態(tài)漸進(jìn)屈曲破壞。

舷側(cè)縱桁的損傷變形包括壓潰和側(cè)向擠壓兩種模式。圖8表明，在碰撞初始階段，橫框架的變形主要表現(xiàn)為壓潰，這是由于它還沒(méi)有與碰撞船艏直接接觸，主要承受的是面內(nèi)載荷；但隨著碰撞的繼續(xù)，碰撞船艏將觸及橫框架，在接觸力的作用下，橫框架還將發(fā)生側(cè)向擠壓變形。

圖8 舷側(cè)縱桁變形時(shí)序

3.2 碰撞力的比較

圖9為各種舷側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞力比較，它們的共同點(diǎn)是，碰撞力總體上呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線(xiàn)形，在碰撞的不同階段會(huì)出現(xiàn)不同形式的卸載現(xiàn)象，這與不同構(gòu)件的損傷失效模式是相對(duì)應(yīng)的。在0.09 s附近碰撞力突然增加，這是由于撞頭與舷側(cè)縱桁接觸，撞頭受到了舷側(cè)縱桁的更強(qiáng)烈的抵抗作用。在0.35 s前4種舷側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞力總體上一致，0.35 s后半圓管舷側(cè)縱桁的碰撞力最大，其次是帽形舷側(cè)縱桁、菱形舷側(cè)縱桁和傳統(tǒng)舷側(cè)縱桁，這可以說(shuō)明3種舷側(cè)結(jié)構(gòu)都能有效的抵抗撞頭的碰撞，其中半圓管舷側(cè)縱桁抵抗碰撞的能力最強(qiáng)。

圖9 碰撞力比較

3.3 4種舷側(cè)結(jié)構(gòu)的塑性變形能吸收

表1為舷側(cè)內(nèi)板破損前各構(gòu)件的能量吸收情況。由表可見(jiàn)，新型舷側(cè)縱桁的變形能占總能量的百分比大于傳統(tǒng)舷側(cè)的縱桁。其中帽形縱桁變形能增量89.2%，菱形縱桁變形能增量84.5%，半圓管形縱桁變形能增量90.1%為最多。另一方面，3種新型雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)的舷側(cè)內(nèi)板吸能量和變形量也都有不同程度的降低，這說(shuō)明碰撞能量大部分被舷側(cè)內(nèi)板以外的結(jié)構(gòu)吸收，只有較少的能量施加到舷側(cè)內(nèi)板上，這對(duì)于減少舷側(cè)內(nèi)板的變形量進(jìn)而減少舷側(cè)內(nèi)板的破損幾率有很大的好處，舷側(cè)內(nèi)板的破損幾率降低，也就是增強(qiáng)了船舶在遇到碰撞時(shí)的抗撞能力和生命，這種結(jié)構(gòu)正是改變結(jié)構(gòu)形式所期望的。

3.4 4種結(jié)構(gòu)的比吸能比較

吸能密度可以衡量一種結(jié)構(gòu)的吸能能力，它是指單位體積的結(jié)構(gòu)材料吸收的能量。傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)與3種新型結(jié)構(gòu)的吸能密度見(jiàn)表2。

表2說(shuō)明：新結(jié)構(gòu)的吸能能力比原結(jié)構(gòu)有明顯地提高。當(dāng)然本文的改進(jìn)措施也有不足之處，結(jié)構(gòu)的重量有所增加。

3.5 4種舷側(cè)內(nèi)板的最大加速度比較

舷側(cè)內(nèi)板的加速度大小也是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗撞性能的一個(gè)方面，結(jié)構(gòu)舷側(cè)內(nèi)板的加速度對(duì)船體內(nèi)設(shè)備的生命力有很大的影響，過(guò)大的加速度可能會(huì)導(dǎo)致船舶上精密裝備的失靈。本文選取4種結(jié)構(gòu)舷側(cè)內(nèi)板碰撞區(qū)域內(nèi)同一點(diǎn)為研究對(duì)象，比較各種結(jié)構(gòu)形式的加速度。

表1 雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的能量吸收

表2 各種舷側(cè)縱桁的吸能密度

圖10和圖11分別給出了傳統(tǒng)雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)的舷側(cè)內(nèi)板和半圓管形舷側(cè)結(jié)構(gòu)的舷側(cè)內(nèi)板碰撞區(qū)域內(nèi)同一點(diǎn)的加速度隨時(shí)間變化規(guī)律。各種結(jié)構(gòu)舷側(cè)內(nèi)板碰撞區(qū)域同一點(diǎn)的加速度見(jiàn)表3。各種新型的雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)舷側(cè)內(nèi)板的加速度峰值都小于傳統(tǒng)的舷側(cè)結(jié)構(gòu)形式；半圓管形舷側(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)板的加速度最小。由此可見(jiàn)，雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)中舷側(cè)縱桁和強(qiáng)肋骨所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變，在保護(hù)舷側(cè)內(nèi)板的同時(shí)，也改善了船舶的沖擊環(huán)境。

4 結(jié)論

1)碰撞損傷變形具有明顯的局部性，基本上集中在碰撞接觸區(qū)域。損傷變形主要表現(xiàn)為塑性變形，彈性變形幾乎可以忽略。

m·s-1

2)碰撞過(guò)程中，船體結(jié)構(gòu)的局部慣性可以忽略不計(jì)，撞擊船的動(dòng)能損失將主要轉(zhuǎn)化為被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的塑性變形能。

3)碰撞力表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線(xiàn)性，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多次卸載，每一次卸載代表一種構(gòu)件失效。

4)雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞分析應(yīng)以?xún)?nèi)壁板破裂作為極限條件，舷側(cè)縱桁不僅自身吸收能量，而且充分發(fā)揮了其它構(gòu)件的吸能潛力，所以它大大提高了雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)的抗撞能力。

5)和傳統(tǒng)的雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)相比，通過(guò)改變雙層舷側(cè)的縱桁結(jié)構(gòu)形式而建立的3種新型結(jié)構(gòu)，舷側(cè)內(nèi)板的變形能和變形量減少，更多的能量被舷側(cè)內(nèi)板外的其它構(gòu)件吸收，減少了舷側(cè)內(nèi)板的變形，提高了抗撞能力，其中尤以半圓管結(jié)構(gòu)形式的雙層舷側(cè)為最佳。

6)采用新型的舷側(cè)結(jié)構(gòu)后雖然質(zhì)量上比傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)增加了，但是新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)的抗撞能力得到顯著提高。其中尤以半圓管形舷側(cè)結(jié)構(gòu)吸能量增加最多。

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