極端海況下復(fù)合材料高速船的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與損傷研究

范清揚 劉 斌 雷加靜 吳衛(wèi)國

(武漢理工大學(xué)綠色智能江海直達船舶與郵輪游艇研究中心1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)船海與能源動力工程學(xué)院2) 武漢 430063) (中國艦船研究設(shè)計中心3) 武漢 430064)

0 引 言

目前在砰擊研究領(lǐng)域，研究方法主要包括：理論方法[3]、試驗[4]和數(shù)值仿真[5].近年來，運用基于ALE的有限元方法來研究入水砰擊問題已取得了較大進展[6-8]，但以往的研究對象多為形狀簡單的楔形體，針對形狀復(fù)雜的高速船剖面入水研究還較少[9].高速船船長較短，砰擊顫振的影響很小，砰擊引起的船體局部結(jié)構(gòu)響應(yīng)更受關(guān)注.不同高速船船型最大砰擊區(qū)域的位置也有所差別，通常單體高速船的船艏[10]、雙體船和三體船的連接橋[11]都是易受砰擊作用的區(qū)域.因此，為了分析高速船局部結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)，需要先確定砰擊載荷作用最大區(qū)域的位置.

砰擊荷載作用下復(fù)合材料層合板的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與損傷研究相對較少.殷憲龍等[12-13]通過數(shù)值方法探究了不同骨架形式、骨材尺寸及外板厚度對抗砰擊性能的影響.Hassoon等[14-16]針對復(fù)合材料層合板入水砰擊開展了試驗和數(shù)值仿真研究，探究了不同材料、入水速度以及邊界條件對砰擊載荷及其結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響.

文中運用有限元軟件LS-DYNA研究船體剖面的砰擊載荷及局部結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，確定艏部、舯部及艉部典型剖面在最大砰擊區(qū)域的位置，探究不同加筋形式復(fù)合材料層合板的抗砰擊性能.

1 高速船典型剖面入水砰擊分析

1.1 研究對象

以某復(fù)合材料高速船艉部、舯部及艏部典型剖面為研究對象開展入水砰擊分析，剖面位置見圖1，圖中1.2 m為肋骨間距.該高速船依據(jù)《勞氏船級社特種船規(guī)范》進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，主尺度參數(shù)見表1.

圖1 復(fù)合材料高速船典型剖面(單位：m)

表1 復(fù)合材料高速船的主尺度參數(shù)

各剖面的入水速度Vbs依據(jù)《勞氏船級社軍船規(guī)范》計算，計算公式為

(1)

1.2 有限元模型

運用LS-DYNA對高速船剖面的二維入水砰擊過程進行數(shù)值計算，建立了圖2的有限元模型.該模型在z方向設(shè)置一個單元長度，在y軸處采用了對稱邊界，除對稱面外其余各個邊界均采用無反射邊界，這樣設(shè)置可以減小邊界條件對仿真結(jié)果的影響，同時約束所有節(jié)點在法向上的位移.船體剖面使用殼單元建模，通過剛性材料MAT_RIGID定義材料參數(shù).水域和空氣域使用實體單元建模，通過空材料MAT_NULL定義材料參數(shù).

圖2 有限元模型

空氣域采用線性多項式Polynomial狀態(tài)方程，線性多項式Polynomial狀態(tài)方程中氣體滿足γ定律狀態(tài)方程，其壓力值與體積關(guān)系為

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P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(C4+C5μ+C6μ2)E

(2)

式中：C0，C1，C2，C3，C4，C5，C6為常數(shù)；V為相對體積；μ=1/V-1；E為初始單位體積內(nèi)能.狀態(tài)方程中使用的主要參數(shù)列于表2.

表2 空氣域的狀態(tài)方程參數(shù)

水域采用Gruneisen狀態(tài)方程，壓縮狀態(tài)下的Gruneisen狀態(tài)方程可以通過沖擊速度定義為

(λ0+aμ)E

(3)

式中：ρ0為流體密度；E為流體的單位體積內(nèi)能；a為體積修正系數(shù)；S1，S2，S3為vs-vp曲線斜率的相關(guān)參數(shù)；vs為沖擊波速度；vp為質(zhì)點速度；λ0為Gruneisen參數(shù).狀態(tài)方程中使用的主要參數(shù)列于表3.

表3 水域的狀態(tài)方程參數(shù)

1.3 網(wǎng)格收斂性分析

為保證計算結(jié)果的可靠性，分別對網(wǎng)格尺寸為50、25及12.5 mm艏部典型剖面進行數(shù)值仿真計算并開展參數(shù)研究，三個模型的遭受量-的量綱砰擊力Cf=F/(0.5ρv2Ssinβ)的仿真結(jié)果對比見圖3，式中：S為剖面面積；β為剖面底部斜升角.不同網(wǎng)格尺寸模型的信息見表4，對比了其網(wǎng)格數(shù)量以及計算時長.由圖3可知：當網(wǎng)格尺寸為50 mm時，砰擊力的峰值最小.而網(wǎng)格尺寸分別為25 及12.5 mm的模型其砰擊壓力時間歷程較為接近，呈較好的一致性，表明該網(wǎng)格尺寸下，有限元仿真計算已經(jīng)收斂.當模型尺寸為12.5 mm時，相較于模型尺寸為25 mm，其仿真耗時顯著增加至5.18倍.可見當網(wǎng)格尺寸為25 mm時可在保障計算精度的前提下顯著提高計算效率，故選取網(wǎng)格尺為25 mm開展研究.

圖3 不同網(wǎng)格尺寸下砰擊力-時間曲線對比

表4 不同網(wǎng)格尺寸的模型信息

1.4 砰擊載荷及作用區(qū)域分析

圖4為縱向?qū)挾葹?5 mm時各個剖面的整體砰擊力隨時間變化曲線.由圖4可知：雖然船艉剖面的的入水速度要遠小于船艏剖面(3.2 m/s<16.6 m/s)，但是由于其底部斜升角較小，導(dǎo)致產(chǎn)生的砰擊力最大，砰擊力峰值由船底向舷側(cè)遞減.船艉及船舯剖面的砰擊力主要在接觸水面時產(chǎn)生，砰擊力達到峰值后逐漸減小并趨于穩(wěn)定.船艏剖面底部砰擊力先增大后減小，當舷側(cè)于水面接觸時砰擊力迅速增加，到達防濺條處時砰擊力到達峰值.

圖4 各個剖面的砰擊力-時間曲線

圖5為砰擊力最大時自由液面變化情況及流場壓力分布.由圖5可知：當砰擊力達到峰值時，船舯及船艉剖面的剖面載荷作用的最大區(qū)域都位于底部，而船艏剖面載荷作用的最大區(qū)域位于防濺條下端.圖6為不同時刻下砰擊壓力-沿船體剖面變化曲線，由圖6可知：船舯及船艉剖面砰擊壓力延船體剖面先增加后減小.當砰擊力減小時，剖面的砰擊壓力也迅速減小并趨于穩(wěn)定.而船艏剖面的形狀較為復(fù)雜，砰擊壓力峰值集中在防濺條的拐角處.

圖5 砰擊力最大時自由液面變化情況及流場壓力分布

圖6 砰擊壓力-沿船體剖面變化曲線

本文已通過關(guān)鍵字*DATABASE_FSI_SENSOR沿船體剖面設(shè)置了砰擊壓力測量點，測量點的大小和網(wǎng)格尺寸一致，船艉及船舯剖面測量點數(shù)量300個，船艏剖面測量點數(shù)量245個，測量點記錄數(shù)據(jù)的時間間隔為0.001 s.根據(jù)上述分析結(jié)果，提取船艉及船舯剖面AB段及船艏剖面ABC段的所有測量點的砰擊壓力-時間曲線作為動態(tài)響應(yīng)分析的局部載荷.

2 復(fù)合材料加筋板動態(tài)響應(yīng)分析

2.1 研究對象

選取較大砰擊區(qū)域的加筋板為研究對象.船艉及船舯底部區(qū)域加筋板位于兩個縱艙壁之間，船艏舷側(cè)區(qū)域加筋板位于兩個甲板之間.縱艙壁和甲板作為支撐構(gòu)件足夠強，在砰擊載荷作用下不易發(fā)生變形.因此，將加筋板周圍的邊界簡化為固定約束.

依據(jù)文獻[16]設(shè)計兩種加筋形式復(fù)合材料層合板，通過靜強度校核表明兩種加筋滿足靜強度設(shè)計要求且應(yīng)力水平相近.船艉及船舯剖面加筋板的底板厚度10 mm，加筋尺寸FB130×12 mm，加筋間距300 mm；船艏剖面加筋板的底板厚度10 mm，加筋尺寸FB150×15 mm，加筋間距275 mm.采用帽型加筋的加筋間距、加筋厚度及底板厚度相同，加筋尺寸見圖7.復(fù)合材料層合板由短切氈CSM及網(wǎng)格布WR構(gòu)成，其中CSM的樹脂纖維含量高、致密性好，主要作為構(gòu)造層及防滲層，用于層合板的外層和中間；而受力性能較好的WR作為層合板的強度層，不同厚度的層合板內(nèi)部鋪層見圖8.

圖7 加筋板位置及尺寸

圖8 復(fù)合材料層合板的鋪層

2.2 有限元模型

運用LS-DYNA建立圖9的加筋板有限元模型，設(shè)定單元類型為殼單元.由于選取的典型剖面跨度不大，可假設(shè)砰擊載荷沿船長方向不變，再通過關(guān)鍵字*LOAD_SHELL_SET將提取的載荷施加于加筋板上.為便于載荷施加，網(wǎng)格尺寸與砰擊分析時相同.復(fù)合材料的材料參數(shù)、厚度，以及鋪層順序通過關(guān)鍵字*PART_COMPOSITE定義，CSM及WR的材料參數(shù)及厚度參照《勞氏船級社規(guī)范》中的公式和算例，具體參數(shù)見表5.CSM及WR的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖10.復(fù)合材料的材料模型選用“Mat.54-Enhanced composite damage”,該材料采用Chang-Chang失效準則.

圖9 加筋板有限元模型

表5 復(fù)合材料參數(shù)

圖10 CSM及WR的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 動態(tài)響應(yīng)及損傷分析

各個剖面加筋板變形破壞情況見圖11～13.顏色的深淺反映了材料損傷程度的大小，顏色越淺的區(qū)域代表材料損傷程度越小，1為沒有損傷，0為完全失效.由圖11可知：普通加筋板在極端砰擊載荷作用下?lián)p傷出現(xiàn)在加筋板的跨中及兩端，而采用帽型加筋后損傷僅僅出現(xiàn)在兩端.由圖12可知：當砰擊載荷作用較小時，兩種加筋的損傷都位于加筋板的頂端.由圖13可知：船艏區(qū)域的普通加筋在極端砰擊載荷作用時結(jié)構(gòu)兩端及跨中發(fā)生破壞，跨中的裂縫向兩端迅速傳播致使結(jié)構(gòu)完全失效，雖然帽型加筋板兩端也出現(xiàn)了局部損傷，但是保持了結(jié)構(gòu)的完整性.船艉承受的砰擊載荷更大，但結(jié)構(gòu)完全失效的加筋板出現(xiàn)在船艏，這是因為船艉剖面的砰擊載荷峰值大，持續(xù)時間較短，砰擊產(chǎn)生的總能量小于船艏剖面.

圖11 船艉加筋板損傷

圖12 船舯加筋板損傷

圖13 船艏加筋板損傷

圖14為普通及帽形加筋板最大變形，最大變形區(qū)域都位于加筋板中央.船舯剖面砰擊載荷作用最小，使用普通或帽型加筋的最大變形差別不大.而船艏及船艉剖面遭受的砰擊載荷較大，使用普通加筋會產(chǎn)生很大的變形，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞見圖10和圖12.使用帽形加筋后，最大變形只有普通加筋的1/3～1/4.

圖14 各個剖面加筋板最大變形-時間曲線

3 結(jié) 論

1) 高速船艏部剖面的入水速度最大，但根據(jù)入水砰擊分析的結(jié)果可知：由于船艉剖面底部斜升角很小，致使其極端海況下的砰擊載荷大于艏部剖面.

2) 高速船艉部及舯部剖面最大砰擊載荷作用區(qū)域都位于底部，而艏部剖面由于底部斜升角較大及防濺條的存在減少了甲板上浪，砰擊載荷作用的最大區(qū)域位于防濺條下端.

3) 在極端砰擊載荷的作用下，船艏及船艉的普通加筋都發(fā)生了嚴重的破壞，使用帽型加筋保持了結(jié)構(gòu)的完整性，有效減小結(jié)構(gòu)的變形及損傷.