采用U型夾層板的船舶上層建筑設(shè)計(jì)及抗爆性能分析

宋 娜，張可成，趙辰水，柯 力，王加夏，劉 昆 *

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，上海 200135)

0 引 言

隨著船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物大型化、復(fù)雜化和工作環(huán)境危險(xiǎn)性大的發(fā)展趨勢(shì)，以及對(duì)于安全要求的提高，對(duì)結(jié)構(gòu)抗爆性能的要求也越來越高，促使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平進(jìn)一步提升。采用傳統(tǒng)的“板加筋”結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)方法，并不能顯著提高船體特別是FPSO的結(jié)構(gòu)性能，且由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量不斷增加，大大制約了總體設(shè)計(jì)水平的提升。國外先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用實(shí)例和其他相關(guān)領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)表明，輕量化設(shè)計(jì)(即減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、降低結(jié)構(gòu)重心，同時(shí)滿足強(qiáng)度、安全及功能性要求)是目前各類船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)的共同目標(biāo)。

輕量化設(shè)計(jì)主要是將新材料、新型結(jié)構(gòu)形式引入船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)當(dāng)中，以滿足相關(guān)功能性(如抗爆、降噪、防火等)和質(zhì)量要求。同時(shí)，根據(jù)具體要求解決設(shè)計(jì)建造過程中的各類技術(shù)問題，提出先進(jìn)的加工制造工藝，在船舶與海洋工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用[1-4]。

激光焊接夾層板由金屬面板與折疊式夾芯層通過激光焊接而成，應(yīng)用于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)可有效減輕質(zhì)量、降低重心位置、提升船舶綜合性能。激光焊接夾層板具有優(yōu)越的減振降噪等性能，可增大支撐構(gòu)件的跨度，減少支柱設(shè)置，提高空間布置的靈活性；其結(jié)構(gòu)焊接變形小，可減少矯平工作及矯平材料使用量；此外還可減少構(gòu)件數(shù)量、減小結(jié)構(gòu)裸露面積。歐美等先進(jìn)造船國家和地區(qū)開展了大量的研究[5-8]工作，取得了較多的研究成果，激光焊接夾層板已在艦船和豪華郵船等船舶上得到越來越廣泛的應(yīng)用。

本文以典型船舶上層建筑為研究對(duì)象，針對(duì)上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行U型夾層板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過有限元數(shù)值仿真，對(duì)比分析爆炸載荷作用下U型夾層板結(jié)構(gòu)與普通加筋板結(jié)構(gòu)的抗爆性能，為船舶輕量化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)越性分析

1.1 U型夾層板結(jié)構(gòu)形式

夾層板設(shè)計(jì)的基本思路主要分為兩種：(1)在保證U型夾層板結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量相等且不影響原艙容的情況下，U型夾層板高度取加筋板腹板高度的50%～70%，提高結(jié)構(gòu)抗爆性能；(2)在保證U型夾層板結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)抗爆性能相當(dāng)且艙容相等的情況下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重。

本文以船體上層建筑端壁板架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，選取第一種設(shè)計(jì)思路，采用U型夾層板代替原有加筋板。如圖1所示：U型夾層板與加筋板的長、寬相同，分別為5.775 m、4.4 m，加強(qiáng)筋間距s=825 mm，加強(qiáng)筋尺寸為HP 200 mm×10 mm(HP為球扁鋼)，面板厚度t=12 mm；U型夾層板結(jié)構(gòu)中，上面板厚度t1=4 mm，下面板厚度t2=4 mm，芯層厚度tc=2 mm，U型夾層板厚度hc=100 mm，夾芯單元長度w=100 mm，芯層與面板接觸面寬a=30 mm。

圖1 結(jié)構(gòu)替代方案

1.2 上層建筑U型夾層板設(shè)計(jì)方案

為更好地評(píng)估U型夾層板結(jié)構(gòu)的抗爆性能，便于在實(shí)際船舶上層建筑結(jié)構(gòu)上推廣應(yīng)用，取某FPSO上層建筑第三層整體結(jié)構(gòu)作為參考對(duì)象，采用抗爆性能優(yōu)良的U型夾層板替代上層建筑前端壁板結(jié)構(gòu)。U型夾層板與上、下層甲板以及側(cè)圍壁之間的連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。板結(jié)構(gòu)型寬48.9 m、長48.9 m、高3.2 m、加強(qiáng)筋尺寸為HP 200 mm×10 mm。按照上層建筑第三層前端壁結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的U型夾層板與加筋板的長、寬相同。

圖2 連接結(jié)構(gòu)

加筋板與U型夾層板結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖3所示，采用殼單元建模，網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一為25 mm，材料均為船用A級(jí)鋼，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度σy=235 MPa，失效應(yīng)變?nèi)?.3。爆炸載荷采用超壓峰值為0.5×105Pa、作用時(shí)間0.2 s的約束條件。采用Cowper-Symonds本構(gòu)模型表征受應(yīng)變率影響的材料在動(dòng)態(tài)載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，計(jì)算公式[9]為

(1)

圖3 有限元模型

參照API規(guī)范[10]，以板架結(jié)構(gòu)發(fā)生較大塑性變形時(shí)的載荷峰值作為設(shè)計(jì)載荷，施加超壓峰值Fmax= 0.4 MPa的簡化三角形爆炸載荷分別作用于兩種結(jié)構(gòu)表面，載荷作用時(shí)間[11]如圖4所示，其中td為時(shí)間。U型夾層板與加筋板結(jié)構(gòu)迎爆面均為上面板表面，兩種板架結(jié)構(gòu)四周均施加剛性固定約束。

圖4 爆炸沖擊載荷

2 抗爆性能分析

爆炸載荷作用下加筋板與U型夾層板結(jié)構(gòu)損傷變形如圖5～圖9及表1所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在兩結(jié)構(gòu)質(zhì)量相當(dāng)?shù)那疤嵯?U型夾層板端壁結(jié)構(gòu)較原加筋板結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加0.7%)，U型夾層板端壁結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力、大變形區(qū)域的范圍和程度都比原加筋板端壁結(jié)構(gòu)小，其中最大變形由98.8 mm降低至5.3 mm，最大應(yīng)力由271.1 MPa降低至186.1 MPa。此外，U型夾層板結(jié)構(gòu)較加筋板結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形的范圍及程度也有明顯改善。

表1 結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況

圖10為加筋板與U型夾層板結(jié)構(gòu)塑性變形局部云圖。從圖10看出，兩種結(jié)構(gòu)形式發(fā)生較大變形的區(qū)域均為前端壁延伸區(qū)域，其中加筋板最大變形區(qū)域?yàn)檠由靺^(qū)域端部板架中間，U型夾層板則為延伸區(qū)域板架頂部。U型夾層板云圖顯示的塑性變形區(qū)域大于加筋板。這是由于加筋板前端壁塑性變形量較大，導(dǎo)致后部的塑性變形在云圖上的顯示并不明顯，而U型夾層板塑性變形量較小，因此塑性變形顯示的區(qū)域也變大。同時(shí)，從損傷變形的量級(jí)也足以表明，U型夾層板結(jié)構(gòu)前端壁的抗爆性能與加筋板結(jié)構(gòu)相比具有明顯的優(yōu)越性，更加適合用于船舶上層建筑端壁結(jié)構(gòu)，能有效抵抗爆炸沖擊，保護(hù)艙室內(nèi)人員及設(shè)備結(jié)構(gòu)的安全。

圖5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖6 結(jié)構(gòu)變形

圖7 塑性應(yīng)變

圖8 加筋板前端壁吸能

圖9 U型夾層板前端壁吸能

圖10 局部結(jié)構(gòu)損傷變形

3 結(jié) 論

以船舶典型上層建筑端壁板架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用非線性數(shù)值仿真技術(shù)分析了結(jié)構(gòu)在典型爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題。設(shè)計(jì)U型夾層板結(jié)構(gòu)，對(duì)比普通加筋板與U型夾層板的抗爆性能，并開展上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)抗爆性能有限元分析，分別對(duì)加筋板結(jié)構(gòu)和U型夾層板結(jié)構(gòu)構(gòu)成的上層建筑前端壁的抗爆性能進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)質(zhì)量相等時(shí)，爆炸載荷沖擊作用下的U型夾層板抗爆性能優(yōu)于傳統(tǒng)加筋板，計(jì)算出的U型夾層板結(jié)構(gòu)的損傷變形，包括板架中心變形、應(yīng)力及塑性應(yīng)變值均較加筋板結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)。

(2)以質(zhì)量相等為原則設(shè)計(jì)的U型夾層板上層建筑結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)弱于加筋板結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力水平下降了近30%，損失變形、塑性應(yīng)變及吸能情況均得到改善，表明U型夾層板結(jié)構(gòu)具有較為優(yōu)良的抗爆性能。

(3)爆炸載荷作用下上層建筑結(jié)構(gòu)的變形主要出現(xiàn)在前端壁延伸區(qū)域，該處結(jié)構(gòu)后部缺少支撐構(gòu)件，易發(fā)生較大變形從而吸收大量能量。與普通加筋板相比，U型夾層板構(gòu)成的上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)在延伸區(qū)域的變形相對(duì)較小，主要變形位置由板架中部轉(zhuǎn)移到板架頂部，且整體變形程度減弱，因此可以看出U型夾層板前端壁具有相對(duì)優(yōu)越的抗爆能力。