基于極限撞速的漁船舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性研究*

廖顯庭 王 威 劉成崗 陳爐云

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心1) 武漢 430064) (武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2) 武漢 430072) (上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3) 上海 200240)

基于極限撞速的漁船舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性研究*

廖顯庭1)王 威1,2)劉成崗1)陳爐云3)

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心1)武漢 430064) (武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2)武漢 430072) (上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3)上海 200240)

以單殼體漁船的船首-舷側(cè)正碰形式為例，分析了漁船的結(jié)構(gòu)損傷、能量轉(zhuǎn)化及結(jié)構(gòu)變形等碰撞力學(xué)特性.提出以提高極限撞速為基礎(chǔ)漁船結(jié)構(gòu)耐撞性評(píng)價(jià)模型，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，提出了增加縱向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可有效改善舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞性的設(shè)計(jì)建議.

極限速度；漁船；耐撞性；評(píng)價(jià)模型

0 引 言

船舶碰撞是船-船之間在短時(shí)間內(nèi)的巨大沖擊現(xiàn)象，是一個(gè)瞬態(tài)的、強(qiáng)非線性的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程.胡志強(qiáng)等[1]對(duì)船舶碰撞機(jī)理與耐撞性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜述，探討了影響船舶結(jié)構(gòu)耐撞性的因素.馮清海等[2]從碰撞能量的角度、劉元丹等[3]從結(jié)構(gòu)破壞形式的角度、Wang等[4]從結(jié)構(gòu)材料失效的角度出發(fā)分別對(duì)船舶碰撞問(wèn)題開(kāi)展了研究.

耐撞性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是開(kāi)展船舶碰撞研究的目標(biāo)之一.目前，大多數(shù)的船舶耐撞性研究是針對(duì)被撞船的舷側(cè)結(jié)構(gòu).Sun等[5-8]以提高結(jié)構(gòu)吸能能力建立了結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化方程，獲得了包括使用復(fù)合材料在內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)建議.耐撞性指標(biāo)是船舶結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化的關(guān)鍵.對(duì)于耐撞性指標(biāo)的定義，陳爐云等[9]基于塑性應(yīng)變衡準(zhǔn)和撞深衡準(zhǔn)開(kāi)展了快艇結(jié)構(gòu)耐撞性評(píng)價(jià)，李俊來(lái)等[10]提出通過(guò)增加接觸摩擦來(lái)降低碰撞速度的優(yōu)化措施.不管從能量角度還是從降低碰撞速度角度出發(fā)，其目的都是通過(guò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)達(dá)到提高結(jié)構(gòu)吸收能量的能力.基于此目標(biāo)，提出了以提高船舶結(jié)構(gòu)極限撞擊速度的結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化模型，并用數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化模型

在船舶結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)中，對(duì)結(jié)構(gòu)耐撞性實(shí)施評(píng)價(jià)需定義耐撞指標(biāo)ξ(crashworthiness index)，該指標(biāo)為船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和考核指標(biāo).

在船舶結(jié)構(gòu)碰撞中，結(jié)構(gòu)吸能能力表示在某一極限狀態(tài)下單位質(zhì)量結(jié)構(gòu)吸收能量的大小，反映了結(jié)構(gòu)材料有效利用率，將其定義為結(jié)構(gòu)耐撞性指標(biāo)，并寫(xiě)成

(1)

式中：Ed為撞擊區(qū)結(jié)構(gòu)的吸能量；mc為撞擊區(qū)結(jié)構(gòu)質(zhì)量.增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量會(huì)影響船舶性能及建造成本，因而通過(guò)簡(jiǎn)單地增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量來(lái)提高結(jié)構(gòu)耐撞性具有一定的局限性.

對(duì)于確定的船-船碰撞模式，所吸收的能量是由撞擊船動(dòng)能所轉(zhuǎn)化，是撞擊速度的函數(shù)，即：

(2)

式中：V為撞擊船撞速，代入式(1)可寫(xiě)成βc=f(V)/mc.結(jié)構(gòu)吸收能量與撞擊船速度呈正相關(guān)性(基本與速度的平方關(guān)系吻合),因此，如船舶結(jié)構(gòu)具有更好的吸能能力，則表明該結(jié)構(gòu)能承受更高的撞擊速度.

同時(shí)，被撞船結(jié)構(gòu)最大塑性應(yīng)變?chǔ)舙(plastic strain)也定義為結(jié)構(gòu)耐撞性指標(biāo)，并寫(xiě)成

(3)

式中:ε(x)為被撞船船體破壞時(shí)的結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變，表示結(jié)構(gòu)材料失效形式.船舶結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是追求結(jié)構(gòu)有比較小的最大塑性應(yīng)變.

根據(jù)結(jié)構(gòu)能量吸收指標(biāo)和結(jié)構(gòu)最大塑性應(yīng)變指標(biāo)，建立漁船結(jié)構(gòu)耐撞性歸一化模型

(4)

根據(jù)式(4)，結(jié)合漁船結(jié)構(gòu)碰撞數(shù)值計(jì)算，獲得耐撞性優(yōu)化結(jié)構(gòu).從被撞船角度出發(fā)，提高結(jié)構(gòu)耐撞性就能承受更高的撞擊速度.對(duì)于確定的船-船碰撞模式，存在著一個(gè)速度值，即當(dāng)撞擊船的速度超過(guò)該值時(shí)則被撞船將發(fā)生結(jié)構(gòu)破損，將此速度定義為極限撞擊速度.

2 耐撞漁船結(jié)構(gòu)概述

選取2艘相同型號(hào)漁船為研究對(duì)象，分析1艘漁船船艏正撞另1艘漁船船舷結(jié)構(gòu)的碰撞情景.最后，以提高被撞船的極限撞擊速度為目標(biāo)，提出船舶耐撞性結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議.

2.1 漁船基本參數(shù)

研究對(duì)象是1艘單底、雙甲板橫骨架式全焊接結(jié)構(gòu)的漁船.基本設(shè)計(jì)參數(shù)：船長(zhǎng)L= 53.38m、型寬B=9.80m、型深D=5.00m.排水量為1 419.8t.在漁船32#～71#肋位間布置3個(gè)大的貨艙，貨艙周?chē)Y(jié)構(gòu)比較薄弱.

2.2 碰撞工況定義

船-船碰撞工況定義如下：2艘漁船在碰撞時(shí)都處于正浮狀態(tài)且吃水狀態(tài)相同，此時(shí)1艘漁船垂直撞擊另1艘漁船的舷側(cè)部位，撞擊船的船速為12kn(約6.2m/s).撞擊位置在被撞船的40#肋位處.船-船碰撞情景見(jiàn)圖1.

圖1 船-船碰撞

2.3 材料特性

2艘漁船均采用船用結(jié)構(gòu)鋼建造，綜合有限元模型網(wǎng)格大小因素，結(jié)合文獻(xiàn)[11]，結(jié)構(gòu)材料的碰撞力學(xué)特性定義如下：線性強(qiáng)化彈塑性材料、材料屈服模型為雙線性模型、材料失效準(zhǔn)為最大塑性應(yīng)變.材料力學(xué)參數(shù)如下：材料密度ρ=7 800kg/m3；彈性模量E=2.1×1011Pa；泊松比μ=0.3；硬化模量Eh=2.1×1011Pa；屈服應(yīng)力[σ]=255MPa；最大塑性應(yīng)變?chǔ)舖ax=0.34.

2.4 漁船有限元模型

在有限元模型中，單元類(lèi)型有板單元(板材結(jié)構(gòu))、梁?jiǎn)卧?骨材、支撐等結(jié)構(gòu))和點(diǎn)單元(集中質(zhì)量).有限元模型包括77 152個(gè)節(jié)點(diǎn)、106 756個(gè)單元(包括83 852個(gè)殼單元、22 902個(gè)梁?jiǎn)卧?個(gè)集中質(zhì)量單元).定義柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)組為集中質(zhì)量形式.

漁船外底板與水接觸，需考慮附連水質(zhì)量的影響.結(jié)合文獻(xiàn)[12]，船舶的縱移或橫移的附連水質(zhì)量可通過(guò)Motora經(jīng)驗(yàn)公式確定，并用變結(jié)構(gòu)密度法進(jìn)行處理.

3 漁船碰撞數(shù)值分析

利用MSC/Dytran程序開(kāi)展?jié)O船碰撞的數(shù)值計(jì)算，分析被撞船結(jié)構(gòu)破損、結(jié)構(gòu)變形、能量變化等，數(shù)值計(jì)算時(shí)間約為0.5s.

3.1 被撞船應(yīng)力云圖

數(shù)值計(jì)算表明，撞擊船以6.2m/s的速度撞擊被撞漁船，此時(shí)被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞.圖2為在t=0.1，0.2，0.23，0.3，0.4，0.5s時(shí)刻被撞船結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖.

圖2 舷側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖2可知，在t=0.23s時(shí)，被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)開(kāi)始發(fā)生了部分破損，圖中白色長(zhǎng)條部分區(qū)域.結(jié)構(gòu)的破損形式為一個(gè)肋位處的外板發(fā)生撕裂，撕裂區(qū)域隨時(shí)間的增加而增大.

4 結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

由3可知，在撞擊速度為6.2m/s時(shí)被撞船將發(fā)生破壞.通過(guò)進(jìn)一步數(shù)值計(jì)算，在撞擊船以5.9m/s的撞擊速度撞擊被撞漁船，此時(shí)被撞船結(jié)構(gòu)沒(méi)有破壞，認(rèn)為此速度為漁船結(jié)構(gòu)極限撞擊速度.

為提高被撞船結(jié)構(gòu)的耐撞性，由式(4)可知在確保結(jié)構(gòu)不破壞情況下，控制漁船結(jié)構(gòu)質(zhì)量條件下，撞擊船的撞擊速度是關(guān)鍵性指標(biāo).此式(4)可寫(xiě)成

Find:X=(x1,x2,…,xi)T∈Rn

(5)

式中：G*優(yōu)化后結(jié)構(gòu)質(zhì)量；G0優(yōu)化前結(jié)構(gòu)質(zhì)量.

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化形式

在漁船舷側(cè)結(jié)構(gòu)中，需要增加縱向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.基于此理念，在32#～45#的肋位舷側(cè)結(jié)構(gòu)(即3號(hào)艙)位置處的側(cè)板上增加2根縱向的T型縱桁，見(jiàn)圖3.2根T型縱桁在Z方向的高度分別約為1.9m和3.9m，并與艙壁的水平桁相連接.T型縱桁型號(hào)為T(mén)8×200/10×100.

圖3 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)圖

舷側(cè)結(jié)構(gòu)在增加T型縱桁后，為滿足式(5)的質(zhì)量控制條件，需將該區(qū)域內(nèi)其他肋骨尺寸定義為設(shè)計(jì)變量.具體措施是優(yōu)化型號(hào)T8×200/10×100骨材和型號(hào)T10×300/12×150骨材的結(jié)構(gòu)尺寸.結(jié)合常用骨材型號(hào)，可得如下優(yōu)化結(jié)果：型號(hào)T8×200/10×100骨材優(yōu)化成型號(hào)T8×160/10×100骨材，型號(hào)T10×300/12×150骨材優(yōu)化成型號(hào)T10×250/12×150骨材.通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，漁船船體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量基本保持不變.

4.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)極限撞擊速度

對(duì)優(yōu)化后的漁船結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞數(shù)值分析，當(dāng)撞擊速度為6.2m/s時(shí)漁船結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生破損，結(jié)構(gòu)是安全的，耐撞性優(yōu)化是有效的.

為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果，以0.1m/s的步長(zhǎng)逐步增加撞擊速度.通過(guò)數(shù)值計(jì)算，被撞船在承受6.4m/s的撞擊速度下結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生破壞，而被撞船在承受6.5m/s的撞擊速度下結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，認(rèn)為6.4m/s為優(yōu)化結(jié)構(gòu)的極限撞擊速度.

4.4 被撞船應(yīng)力云圖

圖4為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后舷側(cè)結(jié)構(gòu)在6.4m/s撞擊速度下t=0.043，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5s時(shí)刻的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖.在t=0.2s時(shí)，被撞漁船舷側(cè)結(jié)構(gòu)一部分結(jié)構(gòu)達(dá)到了塑性變形狀態(tài)，但在整個(gè)的碰撞計(jì)算過(guò)程中，被撞漁船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)破損.

由圖4可知，在增加了2根T型縱桁且保持總質(zhì)量不變情況下，漁船舷側(cè)結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生破損撕裂現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)能承受更高的極限撞擊速度，由5.9m/s增加到6.4m/s.顯然，漁船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的吸收能量的能力有了提高.

圖4 舷側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

4.4 被撞船結(jié)構(gòu)撞深

結(jié)構(gòu)撞深表示船舶在碰撞過(guò)程中結(jié)構(gòu)被壓潰的位移，直觀地反映了被撞船的損傷程度.圖5為被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)在碰撞點(diǎn)處的最大結(jié)構(gòu)撞深曲線.在碰撞后期，撞深有所減小，說(shuō)明被撞船結(jié)構(gòu)有所反彈.圖5中 “初始結(jié)構(gòu)”為優(yōu)化前受6.2m/s撞擊速度下的結(jié)構(gòu)撞深曲線，“優(yōu)化結(jié)構(gòu)”為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后受6.4m/s撞擊速度下的結(jié)構(gòu)撞深曲線.

圖5 被撞船撞深隨時(shí)間的變化曲線

由圖5可知，2根撞深曲線最大值基本相等，撞擊速度的差異表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性；從反彈幅度來(lái)看，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)反彈性更大，這表明結(jié)構(gòu)具有更好的承受撞擊的能力.

4.5 變形能

能量轉(zhuǎn)化曲線反映了碰撞過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化情況.在碰撞過(guò)程中，撞擊船動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)化為被撞船吸收的彈塑性變形能，變形能隨碰撞時(shí)間的變化，見(jiàn)圖6.圖6中， “初始結(jié)構(gòu)”曲線為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前受6.2m/s撞擊速度下的被撞船結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量變形能曲線，“優(yōu)化結(jié)構(gòu)”曲線為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后受6.4m/s撞擊速度下的被撞船結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量變形能曲線.

圖6 變形能隨時(shí)間的變化曲線

由圖6可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化以后撞擊區(qū)的結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量吸收能量的能力明顯增強(qiáng)，這表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效地提高了結(jié)構(gòu)耐撞性能.

結(jié)合圖5～6，實(shí)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高了漁船結(jié)構(gòu)的極限撞擊速度，使舷側(cè)結(jié)構(gòu)具有更好的耐撞特性.

5 結(jié) 論

1) 舷側(cè)結(jié)構(gòu)增加縱向T型梁后，漁船具有更強(qiáng)的耐撞能力，能承受高于6.2m/s的撞擊速度(6.4m/s)，提高了船舶的結(jié)構(gòu)安全性；

2) 以最大極限撞擊速度為衡準(zhǔn)，可有效評(píng)價(jià)船舶結(jié)構(gòu)的耐撞能力.

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Structural Crashworthiness Analysis of Fishing Vessels Based on Critical Velocity

LIAO Xianting1)WANG Wei1,2)LIU Chenggang1)CHEN Luyun3)

(ChinaShipDevelopmentandDesignCenter,Wuhan430064,China)1)(SchoolofCivilEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)2)(StateKeyLaboratoryofOceanEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)3)

Taking the single broadside structure of fishing vessels as an example, the collision characteristics such as the structure damage, energy transformation and structure deformation are discussed in present article. The structural crashworthiness optimization model is established, in which the safety critical velocity is defined as the objective function. With numerical analysis, the design optimization is carried out. The results show that the longitudinal structure can improve the crashworthiness of the broadside structure.

critical velocity; fishing vessels; crashworthiness; evaluation model

2016-10-28

*南海漁船高效節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)研究項(xiàng)目資助(工信部聯(lián)裝2012-542)

U661.42

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.027

廖顯庭(1985—)：男，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榕灤傮w設(shè)計(jì)