船舶首部結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程研究

謝仁杰，董能超，王 珂

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

船舶首部結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程研究

謝仁杰，董能超，王 珂

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

對(duì)剛性船舶首部結(jié)構(gòu)砰擊過(guò)程進(jìn)行仿真研究，分析砰擊過(guò)程中的液面變化，以及船舶首部結(jié)構(gòu)砰擊壓力與入水速度、結(jié)構(gòu)曲率的關(guān)系。研究彈塑性首部結(jié)構(gòu)入水砰擊問(wèn)題。針對(duì)彈塑性首部結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程中各個(gè)構(gòu)件上的應(yīng)力、變形、吸能等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，對(duì)優(yōu)化船舶首部結(jié)構(gòu)形式和保證結(jié)構(gòu)安全性具有十分重要的研究意義。

艏部結(jié)構(gòu)；砰擊壓力；動(dòng)態(tài)響應(yīng)

0 引 言

砰擊載荷作用下的結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題在民用和軍事領(lǐng)域都有諸多應(yīng)用背景，如船舶在波浪中航行[1]、空投魚(yú)雷入水、海上救生艇拋落及水上飛機(jī)降落著水等都屬于這類問(wèn)題。船舶在波浪中航行時(shí)[2]，由于船體和波浪之間的劇烈相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)砰擊現(xiàn)象。砰擊現(xiàn)象發(fā)生最嚴(yán)重的區(qū)域是在與波浪發(fā)生直接沖撞的船首和船尾部，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起上述局部結(jié)構(gòu)屈曲變形，目前對(duì)于實(shí)船結(jié)構(gòu)入水砰擊問(wèn)題進(jìn)行的研究還不是特別成熟。

王珂[3]利用 MSC.Dytran 軟件對(duì) LNG 船的首部結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程進(jìn)行了研究，探究了結(jié)構(gòu)曲率變化和入水速度變化對(duì)砰擊壓力的影響。楊衡[4]基于雙漸進(jìn)法對(duì)砰擊過(guò)程中的彈性效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了流固耦合對(duì)彈性結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。

本文采用直接計(jì)算流固耦合的方法研究船舶首尾結(jié)構(gòu)入水砰擊響應(yīng)問(wèn)題，首先，研究剛性首部結(jié)構(gòu)不同速度下入水砰擊過(guò)程；其次，對(duì)彈塑性首部結(jié)構(gòu)入水砰擊問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析首部各個(gè)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，對(duì)于優(yōu)化船舶首部結(jié)構(gòu)形式和保證結(jié)構(gòu)安全性具有十分重要的研究意義。

1 有限元模型

本文研究的船舶首部結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程是以整個(gè)首部結(jié)構(gòu)為研究目標(biāo)，結(jié)構(gòu)包括水密橫艙壁、水平桁、船底縱桁、舷側(cè)外板、各層甲板及甲板橫梁等構(gòu)件。首部結(jié)構(gòu)外底板厚度為 13 mm，肋板厚度為 13 mm、高度為 1 200 mm，肋板上的加強(qiáng)筋為 100 × 12 mm 的扁鋼，中內(nèi)龍骨厚度為 14 mm，高度為 1 200 mm。在數(shù)值計(jì)算中，各層甲板、舷側(cè)外板、橫艙壁、船底龍骨、甲板及橫梁均采用板單元，艙壁上加強(qiáng)筋采用梁?jiǎn)卧?。首部結(jié)構(gòu)有限元模型如圖 1所示。

圖 2 為首部結(jié)構(gòu)砰擊有限元計(jì)算模型。歐拉區(qū)域分為 2 個(gè)部分：上部分歐拉區(qū)域?yàn)榭諝饨橘|(zhì)，采用可壓縮理想氣體本構(gòu)關(guān)系的材料填充這些單元；下面的區(qū)域?yàn)樗橘|(zhì)，水域內(nèi)的壓力用多項(xiàng)式狀態(tài)方程描述。三維流固耦合計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，因此本文在模擬三維模型入水砰擊過(guò)程時(shí)，流場(chǎng)單位取模型尺寸的 2～3倍，在邊界上施加無(wú)反射邊界條件，從而模擬無(wú)限水域情況。

2 剛性首部結(jié)構(gòu)入水砰擊研究

本節(jié)研究在砰擊載荷作用下，剛性首部結(jié)構(gòu)入水砰擊壓力沿流場(chǎng)和曲率變化規(guī)律，計(jì)算時(shí)剛性結(jié)構(gòu)恒速入水速度Ve分別為 5 m/s，10 m/s，15 m/s 和20 m/s。

2.1 液面變化

首部結(jié)構(gòu)入水過(guò)程中，水域液面受到結(jié)構(gòu)的擠壓作用發(fā)生變形，入水砰擊初始時(shí)刻，結(jié)構(gòu)和水面之間的空氣層隨著結(jié)構(gòu)被壓入水中，空氣墊的存在在結(jié)構(gòu)和液面之間起到了緩沖作用，增加了砰擊壓力的作用時(shí)間，在沖量相同的情況下有利于減小砰擊壓力的大小。黃震球等[5]在研究如何減小船體底部砰擊問(wèn)題時(shí)，通過(guò)在平底結(jié)構(gòu)模型兩側(cè)設(shè)置翼緣的方法來(lái)增加平底與液面之間空氣層的厚度，從而減小結(jié)構(gòu)上砰擊壓力峰值的作用。圖 3 為剛性首部結(jié)構(gòu) 15 m/s 入水過(guò)程中液面的變化情況。

2.2 曲率對(duì)砰擊壓力峰值的影響

Chuang[8]在二維結(jié)構(gòu)入水砰擊理論和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對(duì)具有縱向傾角的船體結(jié)構(gòu)入水砰擊進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)計(jì)算船體表面法相速度的波面法向分量確定有效砰擊角。本節(jié)對(duì)三維首部結(jié)構(gòu)在 4 種砰擊速度下縱向和橫向砰擊壓力分布進(jìn)行了比較研究。

圖 4 和圖 5 為中縱剖面和 2 個(gè)橫剖面上不同節(jié)點(diǎn)在 4 種砰擊入水速度下砰擊壓力峰值。由圖可以得到，當(dāng)結(jié)構(gòu)入水速度的增大時(shí)，結(jié)構(gòu)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的砰擊壓力峰值增加；縱向沒(méi)有曲率變化的前 5 個(gè)節(jié)點(diǎn)，砰擊壓力峰值要明顯大于曲率變化明顯處的節(jié)點(diǎn)；隨著縱向曲率的增加，砰擊壓力峰值呈降低趨勢(shì)，最后趨于平穩(wěn)。對(duì)于 2 個(gè)典型橫剖面位置，曲率變化不大的位置砰擊壓力峰值幾乎相同，隨著橫向曲率的增加，變化趨勢(shì)與縱向相一致，即砰擊壓力峰值降低，趨于平穩(wěn)。因此，在研究三維結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程時(shí)，要考慮到縱向和橫向曲率對(duì)砰擊壓力峰值的影響。

3 彈塑性首部結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程研究

船體首部是發(fā)生入水砰擊概率較高的區(qū)域，對(duì)于一些具有球鼻首的船舶，準(zhǔn)確地確定砰擊載荷對(duì)于設(shè)計(jì)出更加合理的結(jié)構(gòu)形式和保證首部結(jié)構(gòu)完全性具有十分重要的研究意義。在對(duì)船舶剛性首部結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程研究的基礎(chǔ)上，本節(jié)開(kāi)展了彈塑性船舶首部結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程的數(shù)值模擬研究。對(duì)彈塑性首部結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程中各個(gè)構(gòu)件上的應(yīng)力、變形、吸能等參數(shù)進(jìn)行研究。

3.1 首部結(jié)構(gòu)砰擊壓力

圖 6 為中縱剖面上不同節(jié)點(diǎn)在 2 種砰擊入水速度10 m/s 和 15 m/s 下各點(diǎn)的砰擊壓力峰值。由圖可以得到，隨著結(jié)構(gòu)入水速度的增加，彈塑性首部結(jié)構(gòu)上各節(jié)點(diǎn)砰擊壓力峰值增加；縱向沒(méi)有曲率變化的前 2 個(gè)點(diǎn)，砰擊壓力峰值要明顯大于曲率變化明顯位置的砰擊壓力峰值；隨著縱向曲率的增加，砰擊壓力峰值呈降低趨勢(shì)，最后趨于平穩(wěn)。

圖 7 為 2 個(gè)典型橫剖面位置砰擊壓力峰值沿橫向變化曲線圖，曲率變化不大的位置砰擊壓力峰值幾乎相同，隨著橫向曲率的增加，變化趨勢(shì)與縱向相一致，即砰擊壓力峰值降低，趨于平穩(wěn)。因此，在研究首部三維結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程時(shí)，要考慮到縱向和橫向曲率對(duì)砰擊壓力峰值的影響。

3.2 首部結(jié)構(gòu)應(yīng)力研究

圖 8 為各層甲板和平臺(tái)入水砰擊過(guò)程中應(yīng)力最大位置時(shí)間歷程曲線。由圖可以看到，甲板和 3 層平臺(tái)中最大應(yīng)力出現(xiàn)在 2 500 平臺(tái)上，這是由于 2 500 平臺(tái)是直接參與結(jié)構(gòu)砰擊的主要構(gòu)件。

圖 9 為 4 道橫艙壁應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，由于 4個(gè)艙壁結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值相差不大，說(shuō)明除了船體外板外，4 道橫艙壁是船舶首部主要抗砰擊結(jié)構(gòu)。

3.3 首部結(jié)構(gòu)吸能研究

圖 10 為船舶首部結(jié)構(gòu)在入水砰擊過(guò)程中各個(gè)結(jié)構(gòu)的吸能曲線圖。在圖 10 中，橫向結(jié)構(gòu)包括所有的橫艙壁和肋板結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)筋為所有艙壁、肋板、甲板和平臺(tái)上面的加強(qiáng)構(gòu)件。由圖 10（a） 可得在船舶首部結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程中橫向構(gòu)件吸收能量最多，加強(qiáng)筋次之，中內(nèi)龍骨最少。這是由于該船舶設(shè)計(jì)時(shí)只采用了一道中內(nèi)龍骨，因此中內(nèi)龍骨吸收能量最少；根據(jù)前面各個(gè)橫向構(gòu)件應(yīng)力分析相同，橫向構(gòu)件在抗砰擊過(guò)程中起到重要的作用，因此吸收的能量最多。

圖 10（b） 中為船體外板、甲板和各個(gè)平臺(tái)吸收能量曲線。由圖可得，船舶首部結(jié)構(gòu)中外板吸收能量最多，這與實(shí)際情況相符，即外板是參與結(jié)構(gòu)砰擊過(guò)程的主要構(gòu)件；隨著平臺(tái)高度的增加，各個(gè)結(jié)構(gòu)的吸能降低趨勢(shì)，上甲板吸收能量最低。

4 結(jié) 語(yǔ)

三維結(jié)構(gòu)的入水是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，在理論上還只能夠?qū)σ恍┮?guī)則的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。本章采用數(shù)值仿真計(jì)算對(duì)復(fù)雜形狀的三維船舶首部入水砰擊問(wèn)題進(jìn)行了研究，并探討了船舶首部結(jié)構(gòu)入水砰擊壓力和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)等問(wèn)題，得到以下結(jié)論：

1） 由于船舶首部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，船體首部結(jié)構(gòu)附近流場(chǎng)的流動(dòng)具有明顯的三維特性，除了在橫剖面流動(dòng)外，沿船體縱向的變化也不能忽略。首部結(jié)構(gòu)橫向和縱向的曲率對(duì)結(jié)構(gòu)上的砰擊壓力峰值具有較大的影響，這主要是由于曲率的不同使得流場(chǎng)在曲率上的流動(dòng)差異造成的。因此，在分析三維結(jié)構(gòu)入水砰擊時(shí)除了要考慮入水砰擊速度不同之外，還要考慮結(jié)構(gòu)曲率對(duì)砰擊壓力峰值的影響。

2） 船舶首部是承受砰擊壓力的主要區(qū)域，因此研究彈塑性首部結(jié)構(gòu)入水砰擊問(wèn)題對(duì)設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式具有重要的指導(dǎo)意義。本文對(duì)彈塑性三維船舶首部結(jié)構(gòu)入水砰擊問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)首部結(jié)構(gòu)曲率對(duì)彈塑性砰擊壓力峰值具有明顯影響，結(jié)構(gòu)上砰擊壓力峰值隨著縱向曲率和橫向曲率的增加呈降低趨勢(shì)；首部結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)高度的增加近似呈降低趨勢(shì)；在首部結(jié)構(gòu)入水砰擊過(guò)程中，橫向結(jié)構(gòu)和船體外板吸收較多能量，這主要是由于這 2 個(gè)結(jié)構(gòu)是首部抗砰擊的主要構(gòu)件，并隨著首部高度的增加各個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的吸能呈降低趨勢(shì)。

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Study of the slamming process of ship's bow structure

XIE Ren-jie, DONG Neng-chao, WANG Ke
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Based on the method of numerical simulation, the slamming process of rigid ship's bow structure is studied.The change of liquid level and the effects of velocity and curvature on the slamming pressure are studied.The dynamic response such as stress, deformation, and energy absorption of elastic bow structure is studied, and it has very important significance to optimize the ship's bow structure and verify the safety.

bow structure；slamming pressure；dynamic response

U661.7

：A

1672-7619(2017)01-0021-05doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.005

2016-06-01；

: 2016-07-08

謝仁杰(1993-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。