尖銳墜落物沖擊下甲板結(jié)構(gòu)損傷的試驗研究

張新宇，由遙巍

（海裝沈陽局駐大連地區(qū)某軍事代表室，遼寧 大連 116000）

工程船舶及海工平臺上，墜落物沖擊事故的發(fā)生頻次較高、產(chǎn)生后果嚴(yán)重。一般而言，工程船及海洋平臺的甲板起吊作業(yè)任務(wù)繁多，因此重物墜落事故發(fā)生較為頻繁。據(jù)統(tǒng)計，重物墜落沖擊事故約占海洋平臺事故總量的1/3 以上，位居榜首。墜落物沖擊將直接造成甲板變形及損傷，進(jìn)而威脅人員、設(shè)備安全甚至結(jié)構(gòu)物的整體安全。

為減小墜落物沖擊對甲板結(jié)構(gòu)安全性的影響，應(yīng)當(dāng)對甲板結(jié)構(gòu)在墜落物沖擊下的變形及損傷問題進(jìn)行研究。與船－船碰撞相比，撞擊物尺寸小，被撞擊甲板的變形損傷的范圍較小，即使是小能量的墜落物沖擊也能造成較大的甲板結(jié)構(gòu)變形損傷，因此該問題也引起眾多學(xué)者的重視。王醍等研究甲板板架在鉆桿跌落沖擊下的損傷行為，并總結(jié)出了板架穿透的臨界能量計算式。Zhou 等研究了沖擊角度對海洋平臺抗擊圓管墜落沖擊特性的影響。Liu 等研究了吊運過程中當(dāng)油桶以不同的接觸角墜落于鉆井平臺甲板時對甲板結(jié)構(gòu)造成的損傷。杜之富、劉英芳等人也運用有限元數(shù)值模擬方法研究了船舶結(jié)構(gòu)在管形墜落物沖擊作用下的結(jié)構(gòu)變形及損傷。

上述研究主要集中在圓管型墜落物對船舶及海工平臺甲板結(jié)構(gòu)的沖擊變形及失效，而對其他形狀墜落物的沖擊研究較少發(fā)表。對于工程船、科考船、海洋平臺等而言，在甲板上吊放的集裝箱也可能發(fā)生墜落，在集裝箱墜落載荷沖擊下甲板結(jié)構(gòu)的損傷規(guī)律也值得研究。為此，本文針對箱形墜落物沖擊作用下甲板結(jié)構(gòu)的變形及損傷行為進(jìn)行了研究。設(shè)計制造了兩種實尺度甲板結(jié)構(gòu)試驗試樣，運用塔式?jīng)_擊試驗裝置開展低速沖擊試驗，研究甲板結(jié)構(gòu)在三棱錐形沖頭墜落沖擊作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律，為甲板結(jié)構(gòu)的抗墜落物沖擊設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

墜落物沖擊試驗研究的對象是實尺度的長方形加筋板結(jié)構(gòu)。以某科考船甲板結(jié)構(gòu)為參照，設(shè)計并制備實尺度的長方形加筋板試樣，其尺寸為2,800mm×2,100mm×15.6mm（板厚）；該 板沿長度方向均勻布置3 根20 號球扁鋼作為加強筋，加強筋之間的間距為700mm。試樣四周焊接200mm×220mm×16mm 方管進(jìn)行加強，以模擬實船甲板縱桁及甲板強橫梁的邊界條件，如圖1（a）所示。試件底面開孔與基座通過螺栓固定連接?？紤]到板格結(jié)構(gòu)的跨中是結(jié)構(gòu)抗沖擊承載的薄弱部位，為不失一般性，將沖擊點設(shè)定在兩根扶強材之間板的中心位置。同時，為研究增強結(jié)構(gòu)對甲板結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響，還設(shè)計制造了如圖1（b）所示的加強結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在兩根扶強材的中間，設(shè)置一根與扶強材相垂直的加強結(jié)構(gòu)，加強結(jié)構(gòu)同為20 號球扁鋼。

圖1 實尺度甲板結(jié)構(gòu)試樣

圖2 材料的名義應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

1.2 沖頭

采用三棱錐形沖頭以模擬傾斜跌落的集裝箱尖銳的角隅部位對甲板結(jié)構(gòu)的沖擊。如圖3所示，三棱錐相當(dāng)于集裝箱的一個切角，包含三個直角面和一個底面，其中直角面是兩腰長度為200mm 的等腰直角三角形，底面是等邊三角形?？紤]最典型的沖擊方向，即沖頭向下運動的方向與三棱錐的中心線重合，因此采用如圖3中所示的旋轉(zhuǎn)方向，將沖頭旋轉(zhuǎn)，使得三棱錐的底面與水平面保持平行，這樣即可保證沖擊方向與三棱錐的中心線重合。三棱錐由高強度模具鋼經(jīng)機加工制成，并進(jìn)行了淬火、回火處理，在沖擊試驗中可將其視作剛體。沖頭在等邊三角形的底面上鉆有螺紋孔，通過螺紋與試驗裝置相連接。

圖3 集裝箱切角示意與沖頭設(shè)計

1.3 試驗裝置

跌落沖擊試驗由塔式?jīng)_擊試驗裝置完成。如圖4所示，試驗裝置由軌道、安裝架、沖頭、配重、力傳感器及位移傳感器等組成。兩條軌道垂直安裝，為沖頭等提供垂直導(dǎo)向。沖頭與壓電式力傳感器相連接，并固定在安裝架下方；安裝架的左右兩側(cè)裝有小輪，小輪與軌道相接觸；安裝架的上方還可以安裝可調(diào)節(jié)的配重，可模擬不同重量的集裝箱跌落沖擊行為。試驗前，提升機構(gòu)將安裝架連同沖頭、傳感器等提升至指定的高度，沖擊能量主要由提升高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗時，釋放機構(gòu)將沖頭等從空中釋放，沖頭等經(jīng)自由落體并沖擊下方的結(jié)構(gòu)試樣。

圖4 沖擊試驗裝置

2 試驗結(jié)果及分析

分別對兩種實尺度甲板板架結(jié)構(gòu)試樣進(jìn)行沖擊試驗，并比較結(jié)構(gòu)的塑性變形、失效模式、沖擊力-位移結(jié)果。在實際的甲板結(jié)構(gòu)抗沖擊考核中，考慮重量為14.8t 的集裝箱從0.3m 高度跌落的情形。然而，落錘沖擊塔試驗裝置因承載能力限制，無法滿足14.8t 中的沖頭配重，因此必須對試驗方案進(jìn)行調(diào)整。考慮到墜物沖擊屬于低速沖擊，應(yīng)變率效應(yīng)對沖擊變形、失效模式、沖擊力響應(yīng)等結(jié)果的影響較小，因此在試驗中可適當(dāng)?shù)亟档吐溴N的重量、提高落錘的沖擊速度，以符合沖擊能量相等的原則。經(jīng)調(diào)整配重，將落錘的重量調(diào)整至795kg，提升高度設(shè)定為5.6m，這樣即可保證試驗沖擊能量與實際集裝箱墜落的能量保持一致。

2.1 變形及失效

在尖銳的三棱錐沖頭的沖擊作用下，原甲板板架結(jié)構(gòu)及增強型甲板板架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的面板撕裂破損現(xiàn)象，如圖5、圖6所示。圖5是原甲板板架結(jié)構(gòu)的損傷效果，從圖中可看出，由于沖擊點位于兩扶強材之間的面板的中部，面板的變形及損傷僅局限在兩扶強材之間的局部范圍內(nèi)，面板產(chǎn)生了花瓣狀撕裂變形，且撕裂的形狀與三棱錐形沖頭的形狀保持一致。圖6是增強型甲板板架結(jié)構(gòu)的變形損傷效果，從圖中可看出增強型結(jié)構(gòu)的變形及失效也局限在局部范圍之內(nèi)，并且其撕裂程度明顯小于原板架結(jié)構(gòu)的撕裂程度。

圖5 原甲板板架結(jié)構(gòu)沖擊失效變形

圖6 增強型甲板板架結(jié)構(gòu)沖擊失效變形

2.2 沖擊力-位移曲線

兩種試樣的沖擊力位移曲線結(jié)果表明，增強的扶強材結(jié)構(gòu)可大大提升甲板板架結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。圖7中列出了，兩種結(jié)構(gòu)在同一種沖頭沖擊下的沖擊力-位移響應(yīng)，增強型試樣的力增長趨勢更為明顯，最大沖擊力提高了約50%，最大沖擊位移（沖深）則降低了約30%。對于無增強的原甲板板架結(jié)構(gòu)而言，在沖擊起始階段沖擊力增長較快，但很快增長幅度大幅下降。這是由于在尖銳的沖頭沖擊下，甲板結(jié)構(gòu)面板很快產(chǎn)生了局部撕裂。而隨著位移的進(jìn)一步增大，花瓣狀撕裂的裂紋長度也進(jìn)一步增大，因此沖擊力仍能出現(xiàn)一定程度的增長。沖擊的末尾階段，沖頭產(chǎn)生了回彈。相比之下，對于增強型甲板板架結(jié)構(gòu)而言，布置在背部且位于沖頭正下方的增強結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)起到了較好的增強作用，甲板的面板不至于過早地被撕裂。同時，位于沖頭下方的增強構(gòu)件也參與變形吸能。兩種因素共同作用下，沖擊力在一定范圍內(nèi)維持了較高的增長速度。隨著位移的進(jìn)一步增大，增強型甲板板架的面板也發(fā)生撕裂失效，沖擊力增幅放緩。同樣，在沖擊的末尾階段，沖頭也產(chǎn)生了回彈。

圖7 兩種甲板板架結(jié)構(gòu)的沖擊力-位移曲線試驗結(jié)果

3 結(jié)論

本文以科考船甲板結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，設(shè)計制備了實尺度甲板板架結(jié)構(gòu)試樣以及增強型甲板板架結(jié)構(gòu)試樣，設(shè)計制備了正三棱錐形的沖頭以模擬集裝箱角隅的墜落沖擊，搭建沖擊試驗塔裝置完成了尖銳墜落物沖擊甲板板架結(jié)構(gòu)的試驗研究，得出的主要結(jié)論如下：

（1）尖銳墜落物對甲板結(jié)構(gòu)的損傷較為明顯；在尖銳的三棱錐墜落物沖擊下，即使較低的墜落高度也可能造成結(jié)構(gòu)的永久塑性變形及面板撕裂損傷；

（2）墜落物沖擊造成的甲板損傷通常僅在局部范圍內(nèi)；在尖銳的沖頭沖擊作用下，甲板面板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與沖頭形狀相吻合的花瓣狀撕裂變形；受骨材的影響，變形及撕裂僅發(fā)生在相鄰兩根扶強材之間的局部范圍之內(nèi)；

（3）增強的扶強材結(jié)構(gòu)可大幅提升甲板板架抗墜落物沖擊的能力；增強的扶強材結(jié)構(gòu)提高面板剛度，且自身也參與變形吸能，因此可大大提高甲板結(jié)構(gòu)的抗沖擊承載能力，可有效地減小塑性變形的程度及塑性變形的范圍。