泡沫鋁材料提升游艇耐撞性的數(shù)值分析★

趙 穎 楊兆瀚 石曉東

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040； 2.中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七0三研究所,黑龍江 哈爾濱 150040； 3.哈爾濱德嘉游艇科技開發(fā)有限公司,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國民收入與消費(fèi)水平逐漸提高，游艇消費(fèi)作為休閑產(chǎn)業(yè)的高端市場(chǎng)，日益顯現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。游艇在航行過程中與水下的礁石等障礙物發(fā)生碰撞屬于常見事故。游艇碰撞會(huì)造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、自然環(huán)境遭受污染等災(zāi)難性事故的發(fā)生[1]。游艇的抗撞擊性能是保障其安全航行的重要指標(biāo)，單純依靠艇體結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度很難滿足其抗撞擊能力。防止游艇碰撞事故發(fā)生的措施主要有兩種：主動(dòng)措施和被動(dòng)措施。主動(dòng)措施目的是降低事故發(fā)生的概率，主要通過研制開發(fā)導(dǎo)航系統(tǒng)、培訓(xùn)船員的操作技能以及對(duì)航運(yùn)交通進(jìn)行治理等方法。被動(dòng)措施目的是降低事故發(fā)生后艇體結(jié)構(gòu)的破損程度，主要通過對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和采用耐撞結(jié)構(gòu)形式等方法[2]。本文采用有限元方法針對(duì)某小型游艇開展耐撞性能研究，將閉孔泡沫鋁作為一種耗能緩沖材料引入游艇防碰撞領(lǐng)域，通過在游艇易撞部位增設(shè)泡沫鋁防撞層的被動(dòng)措施來增強(qiáng)艇體的抗撞擊性能，從而達(dá)到保護(hù)艇體的目的。

1 游艇有限元計(jì)算分析

1.1 建立游艇有限元模型

以某小型玻璃鋼結(jié)構(gòu)游艇作為研究對(duì)象，采用三維建模軟件SOLIDWORKS建立游艇幾何模型，然后將幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，建立三維有限元計(jì)算模型，游艇整體有限元模型如圖1所示。游艇長度為6 m，模型共劃分為12 166個(gè)單元，包含6 621個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于游艇結(jié)構(gòu)的厚度遠(yuǎn)小于主尺度，所以游艇有限元模型采用ABAQUS中的殼單元S3R來模擬。考慮到計(jì)算效率以及收斂性的要求，建立有限元模型時(shí)對(duì)游艇上一些非主要構(gòu)件進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

1.2 玻璃鋼材料參數(shù)及破壞準(zhǔn)則

游艇的建造材料為玻璃鋼，玻璃鋼材料具有各向異性的力學(xué)特點(diǎn)，在有限元建模軟件中合理有效地模擬玻璃鋼材料需要掌握各向異性材料的基本力學(xué)性能[3]。根據(jù)玻璃鋼平面應(yīng)力假設(shè)推導(dǎo)出E1，E2，μ12，G12四個(gè)工程彈性常數(shù)作為玻璃鋼面板結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算時(shí)的依據(jù)，如表1所示。E1，E2分別為材料在1，2主軸方向的彈性模量，μ12為泊松比，G12為1-2平面內(nèi)的剪切彈性模量。

玻璃鋼板的破壞準(zhǔn)則使用ABAQUS中自帶的HASHIN準(zhǔn)則，HASHIN準(zhǔn)則主要用來模擬復(fù)合材料的失效模式，該準(zhǔn)則考慮了橫向應(yīng)力、縱向應(yīng)力與剪切應(yīng)力之間的耦合效應(yīng)。表2為玻璃鋼板強(qiáng)度。

表1 玻璃鋼板工程彈性常數(shù)

表2 玻璃鋼板強(qiáng)度

1.3 施加脈沖荷載

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)游艇的前下方部位與水中礁石等障礙物發(fā)生碰撞的頻率較高，因此選取游艇前下方一定區(qū)域面積作為加載區(qū)域，通過施加脈沖載荷模擬游艇與障礙物之間的碰撞過程。艇體施加脈沖荷載如圖2所示。加載區(qū)域面積為653 423 mm2，施加130 kN的脈沖力載荷，荷載作用時(shí)間為0.5 s，在0 s處荷載大小為0 kN，在0.25 s處荷載達(dá)到峰值130 kN，在0.5 s處荷載大小為0 kN。脈沖載荷曲線如圖3所示。

1.4 計(jì)算結(jié)果分析

圖4和圖5分別為施加脈沖載荷后艇體的應(yīng)力云圖和變形云圖。從圖4和圖5中可以看出，在碰撞區(qū)域附近艇體的應(yīng)力和變形較大，最大拉應(yīng)力為70.04 MPa，最大壓應(yīng)力為95.21 MPa，最大變形量12.94 mm。

2 游艇耐撞性研究

2.1 閉孔泡沫鋁材料吸能特性

閉孔泡沫鋁具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、耗能緩沖性能強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種較好的抗沖擊防護(hù)材料。目前，閉孔泡沫鋁作為沖擊能量吸收材料，主要應(yīng)用在汽車防沖檔、機(jī)械裝置的保護(hù)外殼、升降機(jī)的安全墊、飛機(jī)外殼夾層等方面[4]。本文將閉孔泡沫鋁作為一種耗能材料引入游艇防撞領(lǐng)域。圖6為閉孔泡沫鋁壓縮特性曲線。從圖6中可以看出，閉孔泡沫鋁的壓縮過程經(jīng)歷三個(gè)階段：彈性階段、屈服平臺(tái)階段、致密階段。在屈服平臺(tái)階段，閉孔泡沫鋁材料的應(yīng)力大小基本保持不變，應(yīng)變值卻增長較快，較長的屈服平臺(tái)階段的出現(xiàn)也反映了閉孔泡沫鋁材料具有很好的吸能特性。

2.2 閉孔泡沫鋁材料本構(gòu)模型及破壞準(zhǔn)則

泡沫鋁密度ρ=540 kg/m3，彈性模量E=1 200 MPa。在沖擊荷載作用下，泡沫鋁的橫向幾乎不變形，因此彈性泊松比μ=0。泡沫鋁的塑性本構(gòu)使用可壓縮泡沫(crushable foam)模型(該模型基于各項(xiàng)強(qiáng)化本構(gòu)模型，即DF模型)，壓縮屈服應(yīng)力比α設(shè)為1.732，塑性泊松比設(shè)為0。因泡沫鋁材料在沖擊時(shí)的塑性響應(yīng)與單軸壓縮時(shí)的響應(yīng)基本相同，故塑性強(qiáng)化部分輸入泡沫鋁材料在準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)的塑性硬化數(shù)據(jù)，如表3所示。

泡沫鋁材料在沖擊荷載作用下會(huì)發(fā)生破壞，彈塑性本構(gòu)模型均不能模擬材料的損傷破壞過程，因此需要定義材料的破壞準(zhǔn)則。泡沫鋁屬于多孔金屬材料，有限元分析軟件ABAQUS中提供了多種用于模擬金屬材料的損傷模型，如Johnson-Cook Damage,Shear Damage和Ductile Damage等損傷破壞準(zhǔn)則。本文采用的是Ductile Damage損傷破壞準(zhǔn)則來描述塑性金屬材料的延性斷裂，如表4所示。

2.3 安裝泡沫鋁防撞層游艇的數(shù)值分析

圖7為安裝泡沫鋁防撞層游艇的有限元模型。圖8～圖10分別為安裝不同厚度泡沫鋁防撞層游艇的應(yīng)力云圖和變形云圖。表5為安裝不同厚度泡沫鋁防撞層游艇的應(yīng)力和變形。從圖8～圖10和表5中可以看出，安裝泡沫鋁防撞層后艇體的應(yīng)力和變形明顯減小，并且隨著泡沫鋁防撞層厚度的增加，艇體的應(yīng)力和變形出現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。安裝10 mm,20 mm,30 mm厚度的泡沫鋁防撞層與未安裝防撞層相比較，艇體的最大拉應(yīng)力分別減少了45%,55.68%,65.69%，最大壓應(yīng)力分別減少了30.16%,48.68%,59.71%，最大變形分別減少了38.87%,62.67%,74.69%。由此可見，泡沫鋁防撞層能夠達(dá)到耗能緩沖和抵抗沖擊荷載的目的，有效地降低了艇體結(jié)構(gòu)的受力和變形。

表3 泡沫鋁的塑性硬化參數(shù)

表4 泡沫鋁損傷參數(shù)

參數(shù)防撞層厚度10 mm防撞層厚度20 mm防撞層厚度30 mm最大拉應(yīng)力/MPa38.5231.0424.03最大壓應(yīng)力/MPa66.4948.8638.36最大變形/mm7.914.833.275

對(duì)表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，最大拉應(yīng)力σ拉、最大壓應(yīng)力σ壓、最大變形U與泡沫鋁防撞層厚度H之間的關(guān)系可以分別擬合為關(guān)系式(1)～式(3)。根據(jù)式(1)～式(3)可以看出，游艇所受到的最大拉應(yīng)力隨著泡沫鋁防撞層厚度的增加呈線性減小趨勢(shì)，游艇所受到的最大壓應(yīng)力、最大變形隨著泡沫鋁防撞層厚度的增加呈對(duì)數(shù)關(guān)系減小趨勢(shì)。

σ拉=45.687-0.725H(相關(guān)系數(shù)R2=1.000)

(1)

σ壓=125.434-25.587lnH(相關(guān)系數(shù)R2=1.000)

(2)

U=17.643-4.243lnH(相關(guān)系數(shù)R2=0.999)

(3)

3 結(jié)語

將泡沫鋁作為一種耗能緩沖材料引入小型游艇防碰撞沖擊領(lǐng)域，建立了游艇整體有限元計(jì)算模型，并對(duì)游艇碰撞的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析，研究結(jié)果表明：安裝泡沫鋁防撞層可以有效地降低艇體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，在一定程度上改善了游艇的抗撞擊性能，提高了游艇的安全性。