船-冰碰撞載荷下3種舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性分析

蘇 巍， 莊 元， 趙曉博， 鄭元洲， 甘浪雄

(1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063; 2.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430063; 3.南京海事局，南京 210000)

船-冰碰撞載荷下3種舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性分析

蘇 巍1，2， 莊 元1,2， 趙曉博3， 鄭元洲1,2， 甘浪雄1,2

(1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063; 2.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430063; 3.南京海事局，南京 210000)

為探究船-冰碰撞載荷下橫骨架式和縱骨架式2種船體結(jié)構(gòu)的耐撞性能，利用MSC/PATRAN軟件建立油船及冰體有限元模型，運(yùn)用非線性有限元軟件Dytran對(duì)船中舷側(cè)結(jié)構(gòu)與冰體棱角發(fā)生碰撞進(jìn)行仿真。通過2種舷側(cè)結(jié)構(gòu)的船體與冰體碰撞，對(duì)比不同船體結(jié)構(gòu)的損傷變形、碰撞力和能量吸收的差異，探究各種船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣性。利用不同船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣性能對(duì)現(xiàn)有的2種船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，合理布置橫骨材、縱骨材的數(shù)量及尺度，在船舶總質(zhì)量改變不大的前提下，采用優(yōu)化混合骨架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方法提高舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞性能。計(jì)算結(jié)果表明，該方案對(duì)冰區(qū)船舶結(jié)構(gòu)加強(qiáng)具有重要的參考意義，可為提高冰區(qū)船舶耐撞性設(shè)計(jì)提供建議。

船舶工程；船-冰碰撞；數(shù)值仿真；舷側(cè)結(jié)構(gòu)；耐撞性能

Abstract: The crashworthiness against ice impact of two types of ship structures, the transverse framing and the longitudinal framing is explored. The finite element models of the oil tanker and the ice cube are established by software MSC/PATRAN. The situation in which the side of midship collides with the corner of ice cube is simulated by nonlinear finite element software Dytran. The differences of the hull structural damage deformation, collision force and energy absorption, when two ships with different side structural forms colliding with an ice cube under different collision situation, are studied respectively, and the advantages and disadvantages of different side structural forms are explored. Two existing ship side structure designs are improved according to the simulation results through adjusting the arrangement of the transverse/longitudinal skeleton while keeping the hull weight basically unchanged to improved the crashworthiness of the ships.

Keywords: ship engineering; ship-ice collision; numerical simulation; side structure; crashworthiness

隨著高緯度海域油氣資源的開發(fā)及北極航道的開辟，海冰與船舶碰撞問題越來越受關(guān)注。船舶與海冰碰撞與船舶間的碰撞相同，是在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的具有巨大沖擊載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，體現(xiàn)的是船、冰結(jié)構(gòu)碰撞的非線性問題，較為復(fù)雜。在目前針對(duì)船舶碰撞問題的研究方法中，有限元數(shù)值仿真方法最為便捷、精確，不僅能計(jì)算碰撞區(qū)的結(jié)構(gòu)損傷變形和碰撞力，而且可結(jié)合外部機(jī)理的分析與計(jì)算仿真碰撞現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)間的“虛擬碰撞”。[1]

目前，根據(jù)中國船級(jí)社(China Classification Society, CCS)規(guī)范，冰區(qū)船舶結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案只有橫骨架式和縱骨架式2種。這里利用有限元分析軟件MSC/PATRAN探究2種骨架結(jié)構(gòu)抗冰撞擊性能的優(yōu)劣，在此基礎(chǔ)上合理調(diào)整肋骨、縱桁間距，形成新的骨架結(jié)構(gòu)(橫縱混合骨架)；同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真，并與現(xiàn)有的橫骨架結(jié)構(gòu)和縱骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，探討骨架排列對(duì)船舶舷側(cè)耐撞性能的影響。

1 有限元模型建立

1.1浮冰模型

1.1.1浮冰形狀簡化

海冰形狀雖然多樣，但就有限元仿真計(jì)算而言，主要關(guān)注的是與船體接觸區(qū)域的冰體形狀，因此可對(duì)非接觸區(qū)域的冰體形狀進(jìn)行簡化。選取的浮冰幾何模型為餅狀模型(見圖1)。餅狀冰體的厚度為5 m，半徑為20 m，密度為930 kg/m3，質(zhì)量為1 460.1 t。

1.1.2浮冰材料模型

借鑒已有研究成果，冰體材料模型采用Elas-Plas材料，其抗壓強(qiáng)度與加載速率有密切的聯(lián)系。[2]模型的參數(shù)設(shè)置[1]見表1，冰體有限元模型見圖2。浮冰采用實(shí)體單元(Tet4)進(jìn)行模擬，模型共包含25 430個(gè)單元、14 784個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 冰體材料參數(shù)設(shè)置

1.2被撞船模型

以1萬噸級(jí)油船與浮冰碰撞為例，油船為雙殼雙底、橫骨架式結(jié)構(gòu)，其主要參數(shù)為：總長141 m；型寬20.4 m；型深10.7 m；滿載吃水8.3 m；滿載排水16 000 t。

1.2.1被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)

這里主要研究舷側(cè)結(jié)構(gòu)(橫骨架式、縱骨架式及橫縱混合式)與冰體的碰撞，橫骨架式船舶碰撞區(qū)示意見圖3，橫骨架結(jié)構(gòu)見圖4。碰撞區(qū)長度為24 m，高度為10 m。肋骨板厚7 mm，強(qiáng)肋骨板厚8 mm，縱桁板厚7 mm，強(qiáng)縱桁板厚8 mm。

由于建模較為繁瑣，因此這里縱骨架式及橫縱混合式結(jié)構(gòu)是在橫骨架式的基礎(chǔ)上改造而成的，改造區(qū)集中在圖3所示的碰撞區(qū)內(nèi)。改造的縱骨架結(jié)構(gòu)見圖5。

1.2.2被撞船材料參數(shù)

由于船用鋼在高應(yīng)變率下具有顯著的動(dòng)態(tài)特性，其屈服應(yīng)力隨應(yīng)變率的增大而增大，因此選擇船用結(jié)構(gòu)鋼(高強(qiáng)度鋼)作為船舶材料。為研究碰撞區(qū)域整體的結(jié)構(gòu)損傷情況，其材料模型在Dytran中采用考慮應(yīng)變率效應(yīng)的塑性動(dòng)態(tài)模型，該模型滿足Cowper Symonds本構(gòu)方程，即

(1)

表2 考慮應(yīng)變率的塑性動(dòng)態(tài)模型參數(shù)設(shè)置

對(duì)于最大塑性應(yīng)變值的確定，目前行業(yè)內(nèi)尚無有效的測(cè)定方法，主要根據(jù)碰撞區(qū)域的有限元網(wǎng)格的大小決定。這里被撞船舷側(cè)碰撞區(qū)域的最大塑性應(yīng)變值取0.2。[3]

1.3船-冰碰撞有限元模型

仿真中船體周圍的水對(duì)碰撞結(jié)果的影響以附加水質(zhì)量的形式考慮，附加水質(zhì)量施加到舷側(cè)非碰撞區(qū)一側(cè)[4](見圖6)。被撞船在冰體撞擊下主要發(fā)生橫移運(yùn)動(dòng)，附連水質(zhì)量用經(jīng)驗(yàn)公式確定，作橫蕩運(yùn)動(dòng)的被撞船的附加質(zhì)量[5]為

ΔM1=CM1

(2)

式(2)中：M1為被撞船的質(zhì)量；C為附加水質(zhì)量系數(shù)，這里取0.4。

油船被撞區(qū)域內(nèi)板質(zhì)量為15.98 t，外板質(zhì)量為31.744 t，橫骨架式結(jié)構(gòu)加強(qiáng)材(肋骨、強(qiáng)肋骨、縱桁)質(zhì)量為13.475 t，縱骨架式結(jié)構(gòu)加強(qiáng)材質(zhì)量為15.271 t。在船-冰碰撞模擬中，船舶模型均為四節(jié)點(diǎn)(QUAD4)或三節(jié)點(diǎn)(TRI3)殼單元(Shell)，船舶處于靜止?fàn)顟B(tài)，冰體垂直撞擊船體。為研究舷側(cè)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，冰的撞擊速度取6 m/s，仿真時(shí)間為1 s。

碰撞接觸區(qū)采用自適應(yīng)主從接觸算法，定義船舶舷側(cè)碰撞區(qū)為主面、海冰為從面，從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格更為細(xì)密，從而有效減少沙漏現(xiàn)象。

2 損傷結(jié)果及分析

經(jīng)過仿真計(jì)算得到仿真時(shí)間為1 s時(shí)舷側(cè)外板變形圖(見圖7)。在接觸區(qū)內(nèi)，船側(cè)外板結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的變形，且變形區(qū)域主要集中在冰體棱部與外部接觸區(qū)，外板發(fā)生膜拉伸變形，并發(fā)生破損。橫骨架式結(jié)構(gòu)在0.67 s時(shí)外板開始破裂，而縱骨架式結(jié)構(gòu)在0.43 s時(shí)外板開始破裂。

a)橫骨架式結(jié)構(gòu)b)縱骨架式結(jié)構(gòu)

圖7 仿真時(shí)間為1 s時(shí)舷側(cè)外板變形圖

在模型設(shè)置中，不同結(jié)構(gòu)冰體的撞擊位置相同，橫骨架式結(jié)構(gòu)外板和縱骨架式結(jié)構(gòu)外板均發(fā)生破裂，其中：橫骨架式結(jié)構(gòu)破口集中在接觸區(qū)中部；縱骨架式結(jié)構(gòu)破口集中在強(qiáng)肋骨所在垂線位置的上下沿。造成破口位置出現(xiàn)差異的主要原因是加強(qiáng)材(肋骨、強(qiáng)肋骨、縱桁、強(qiáng)縱桁)的分布不同。圖8為加強(qiáng)材變形圖。

a)橫骨架式結(jié)構(gòu)b)縱骨架式結(jié)構(gòu)

圖8 加強(qiáng)材變形圖

橫骨架式結(jié)構(gòu)縱桁在冰體撞擊下發(fā)生面內(nèi)彎曲，肋骨有一定的形變，但變化并不顯著；強(qiáng)肋骨則發(fā)生較大的側(cè)向擠壓變形和壓潰變形，變化最顯著的區(qū)域?qū)?yīng)的外板發(fā)生破損?？v骨架式結(jié)構(gòu)縱桁在冰體撞擊下發(fā)生面內(nèi)彎曲；肋骨變形不顯著，因布置有強(qiáng)縱桁構(gòu)件，強(qiáng)肋骨主要發(fā)生面內(nèi)彎曲，僅在肋骨端部存在小范圍的壓潰變形，對(duì)應(yīng)的外板也在相應(yīng)位置處因集中應(yīng)力過大而產(chǎn)生破口。通過對(duì)比破口位置得知，橫骨材及縱骨材的不同分布改變了外板的損傷模式和吸能特性。因此，為有效改善外板的吸能特性，可從加強(qiáng)材分布著手分析。

直譯是根據(jù)原文的意義和語言結(jié)構(gòu)直接把原語的詞句轉(zhuǎn)換成譯文的詞句。當(dāng)源語和目的語受眾的認(rèn)知環(huán)境幾乎沒有差異,并且對(duì)商品的認(rèn)知角度、消費(fèi)觀念、價(jià)值取向等趨于一致時(shí),譯者可以采用直譯。

3 橫縱混合骨架模型

圖9為橫縱混合骨架結(jié)構(gòu)，模型在原有橫骨架式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改變肋骨、縱桁間距及縱桁數(shù)量和尺度。改進(jìn)的橫縱骨混合式結(jié)構(gòu)加強(qiáng)材的質(zhì)量為14.108 t。

3.1碰撞響應(yīng)分析

通過數(shù)值仿真計(jì)算得到橫縱混合骨架式結(jié)構(gòu)舷側(cè)外板變形圖見圖10。在相同的仿真時(shí)間段內(nèi)，橫縱混合骨架結(jié)構(gòu)外板在冰體的撞擊下僅發(fā)生變形而未發(fā)生破裂，圖10中的5個(gè)點(diǎn)區(qū)是受海冰撞擊承受應(yīng)力較大的區(qū)域。若接觸力或撞擊動(dòng)能持續(xù)增加，則這些區(qū)域是外板最先破損的區(qū)域。由于在相同撞擊動(dòng)能和仿真時(shí)間下橫縱混合骨架結(jié)構(gòu)外板尚未發(fā)生破裂，因此可初步證明改進(jìn)結(jié)構(gòu)的耐撞性能較原橫骨架結(jié)構(gòu)和縱骨架結(jié)構(gòu)更優(yōu)。

圖11為橫縱骨架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)材變形圖。由圖11可知：縱桁發(fā)生較為顯著的面內(nèi)彎曲；強(qiáng)縱桁及強(qiáng)肋骨均發(fā)生側(cè)向擠壓變形和壓潰變形，局部區(qū)域出現(xiàn)破損。與圖8對(duì)比可知，改進(jìn)的縱橫混合骨架式結(jié)構(gòu)的損傷變形更大。結(jié)合圖7和圖10，能量吸收是以犧牲加強(qiáng)材為代價(jià)來保護(hù)外板的完整的，也證明加強(qiáng)材結(jié)構(gòu)改變了外板的損傷模式和吸能特性。

3.2撞擊力分析

圖12為3種舷側(cè)結(jié)構(gòu)的接觸力時(shí)歷曲線。由圖12可知，3種結(jié)構(gòu)接觸力曲線變化趨勢(shì)一致，其中橫骨架式結(jié)構(gòu)接觸力曲線和縱骨架式結(jié)構(gòu)接觸力曲線相差較小，改進(jìn)的橫縱混合骨架式結(jié)構(gòu)接觸力相比橫骨架結(jié)構(gòu)及縱骨架式結(jié)構(gòu)均較大。

1)橫骨架式結(jié)構(gòu)及縱骨架式結(jié)構(gòu)的非線性波動(dòng)更為明顯，說明其構(gòu)件或單元在碰撞過程中失效更顯著，對(duì)應(yīng)圖7中的外板破裂相比圖10更顯著。

2)橫骨架式結(jié)構(gòu)的接觸力曲線在0.63～0.84 s時(shí)段非線性波動(dòng)明顯，說明該時(shí)段結(jié)構(gòu)或單元失效顯著增加，對(duì)應(yīng)橫骨架式結(jié)構(gòu)在0.67 s時(shí)外板開始破裂；而縱骨架式結(jié)構(gòu)接觸力曲線在0.42～0.63 s時(shí)段波動(dòng)顯著，對(duì)應(yīng)縱骨架式結(jié)構(gòu)在0.43 s時(shí)外板開始破裂。

3)與橫骨架式結(jié)構(gòu)及縱骨架式結(jié)構(gòu)相比，橫縱混合式舷側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞力曲線更高，結(jié)構(gòu)之間的接觸力更大。結(jié)合圖10中的外板尚無破裂，充分說明橫縱混合式舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞力有了顯著提高。

4)碰撞過程中，碰撞力逐漸增大，在0.63 s左右達(dá)到最大值，在0.70 s后減小較為明顯。

3.3能量轉(zhuǎn)換

圖13為3種舷側(cè)結(jié)構(gòu)的吸能時(shí)歷曲線，可看出3種結(jié)構(gòu)的吸能曲線變化一致，先迅速增大，后逐漸趨于平緩。

1)從碰撞接觸到0.4 s時(shí)段，橫骨架式結(jié)構(gòu)及縱骨架式結(jié)構(gòu)幾乎重合，能量吸收相差不大，0.4 s后差異明顯；縱骨架式結(jié)構(gòu)的吸能比橫骨架式結(jié)構(gòu)的大，說明橫、縱骨材分布影響結(jié)構(gòu)的吸能能力。

2)從碰撞接觸到0.4 s時(shí)段，橫縱混合骨架式結(jié)構(gòu)的吸能比橫骨架式結(jié)構(gòu)及縱骨架式結(jié)構(gòu)顯著；整個(gè)仿真時(shí)段，縱骨架式結(jié)構(gòu)和橫縱混合骨架式結(jié)構(gòu)相差不大，說明橫、縱骨材分布影響結(jié)構(gòu)吸能速率。

圖14為橫縱混合骨架結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)換曲線。在碰撞過程中，總能量守恒，冰的撞擊動(dòng)能主要轉(zhuǎn)化為冰的變形能、船體外板變形能、加強(qiáng)材變形能、船體其他部分變形能和船體動(dòng)能，其中轉(zhuǎn)化的船體動(dòng)能很小，主要為結(jié)構(gòu)的變形能，并以外板的變形能和冰的變形能為主。

3.4耐撞性能

判斷不同結(jié)構(gòu)的耐撞性能需引入耐撞性指標(biāo)。耐撞性指標(biāo)是指在某一極限狀態(tài)下，單位結(jié)構(gòu)質(zhì)量所吸收的能量，又稱為比能。[6]表3為不同結(jié)構(gòu)耐撞性能對(duì)比。

表3 不同結(jié)構(gòu)耐撞性能對(duì)比

由表3可知：橫縱混合骨架式結(jié)構(gòu)的耐撞性指標(biāo)比橫骨架式結(jié)構(gòu)及縱骨架式結(jié)構(gòu)的大，從單位結(jié)構(gòu)質(zhì)量吸能能力層面看，橫縱混合骨架式結(jié)構(gòu)的耐撞性能更優(yōu)。

4 結(jié)束語

通過數(shù)值仿真研究，從舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷變形、碰撞力大小及能量吸收等3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

1)船-冰碰撞過程在極短的時(shí)間內(nèi)(幾秒)完成，在冰體沖擊載荷下，舷側(cè)結(jié)構(gòu)的損傷均具有明顯

的局部性。3種不同結(jié)構(gòu)間的碰撞力和能量吸收曲線趨勢(shì)一致。

2)與橫骨架式結(jié)構(gòu)及縱骨架式結(jié)構(gòu)相比，橫縱混合骨架式舷側(cè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量相差不大，但損傷變形更小、耐撞性更強(qiáng)、吸能更多，說明橫縱混合骨架式的布置有利于提升船舶的耐撞性能。

3)通過改變橫骨架與縱骨架的間距和尺度，得到的橫縱混合骨架式結(jié)構(gòu)的單位結(jié)構(gòu)質(zhì)量所吸收的能量顯著增強(qiáng)。加強(qiáng)材結(jié)構(gòu)布置改變了外板的損傷模式和吸能特性，能有效延長外板破裂時(shí)間，且能改變舷側(cè)結(jié)構(gòu)的吸能能力和速率。

雖然從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度層面看，改變舷側(cè)橫縱骨材能有效增強(qiáng)船側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞性能，但在船舶設(shè)計(jì)和建造中，要考慮其局部強(qiáng)度、總縱強(qiáng)度和穩(wěn)性等因素。因此，關(guān)于舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性的提高，從理論研究到設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮更多因素的影響。

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ShipSideStructuralFormOptimizationforIceImpactLoad

SUWei1,2，ZHUANYuan1,2，ZHAOXiaobo3,ZHENGYuanzhou1,2,GANLangxiong1,2

(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430063, China; 3. Nanjing Maritime Safety Administration, Nanjing 210000, China)

U661.43；U663.3

A

2016-12-11

國家自然科學(xué)基金(71372202)；武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金(2015-zy-108)；省級(jí)自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2014CFB856)；中央高?；狙芯拷?jīng)費(fèi)(2015IVA042)

蘇 巍(1987—)，男，重慶人，碩士生，主要從事水上交通與安全研究。E-mail:suweihyxy@whut.edu.cn

1000-4653(2017)01-0032-05