碰撞載荷下的V形波紋板結(jié)構(gòu)的有限元損傷響應(yīng)分析

夏雁生

摘要 為了研究落錘碰撞沖擊下船體板架的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，文章對(duì)船體結(jié)構(gòu)材料性能進(jìn)行不同應(yīng)變率下的材料靜、動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)，擬合得到船用鋼的Cowper-Symonds模型參數(shù)并作為仿真輸入，并針對(duì)V形波紋板進(jìn)行碰撞有限元仿真分析，對(duì)V形波紋板的損傷變形、單元變形模式、能量耗散以及碰撞載荷進(jìn)行研究。研究結(jié)果對(duì)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與船舶耐撞性評(píng)估具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 船舶碰撞；船體板架結(jié)構(gòu)；動(dòng)態(tài)力學(xué)性能；數(shù)值仿真

中圖分類號(hào) U661.43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）16-0105-03

0 引言

板架作為船體結(jié)構(gòu)的基本組成部分，需研究其在船舶碰撞過程中的力學(xué)性能，以指導(dǎo)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了準(zhǔn)確開展碰撞問題的數(shù)值仿真，考慮船用鋼的材料的試驗(yàn)設(shè)計(jì)十分必要。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)板架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能開展了系列試驗(yàn)研究工作。Villavicencio等[1]開展了板架的準(zhǔn)靜態(tài)沖壓試驗(yàn)研究，揭示了其吸能與失效機(jī)理。Minorsky[2]建立了船舶碰撞的相關(guān)分析。在發(fā)貨所有船舶碰撞事故中船舶底部兩側(cè)的船底板往往是破壞較為嚴(yán)重的區(qū)域，由于船舶航運(yùn)安全始終居首位。

為了研究船體板架在落錘碰撞沖擊下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)，首先在不同應(yīng)變率條件下進(jìn)行了材料的拉伸實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確擬合，成功提取了適用于船用鋼的CS模型參數(shù)。進(jìn)一步地，采用Abaqus軟件對(duì)碰撞過程進(jìn)行了仿真模擬，全面考察了V形波紋板的損傷變形、單元變形模式、能量耗散以及碰撞載荷的特性。該研究不僅揭示了碰撞動(dòng)態(tài)過程中的微觀和宏觀行為，也為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和船舶耐撞性評(píng)估提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)用指導(dǎo)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 船體結(jié)構(gòu)材料性能試驗(yàn)及分析

1.1 試件參數(shù)

根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 288.1—2010）對(duì)于室溫下船用低碳鋼（Q235）母材上選取適當(dāng)材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的規(guī)范要求，用微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)開展準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。具體的試件尺寸參數(shù)見圖1所示。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過使用準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)得到了Q235材料的力學(xué)性能參數(shù)及工程應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，參數(shù)結(jié)果見表1示。

1.3 仿真材料輸入

由于頸縮點(diǎn)以前和頸縮點(diǎn)以后部分應(yīng)變相同而應(yīng)力略有差別，C部分為直接連接兩部分的直線，見圖2所示。

由上述方法得到的“組合材料關(guān)系曲線”可以直接用于有限元軟件中的仿真材料參數(shù)輸入。

2 V形波紋船體板及落錘碰撞仿真場景分析

2.1 V形波紋船體板及落錘幾何參數(shù)

V形波紋型船體板結(jié)構(gòu)由上下兩層面板和中間的V形波紋夾芯層組成，見圖3示。V形波紋型船體板結(jié)構(gòu)面板長度是a為1 060 mm，寬度b為1 060 mm，夾芯層單元間距c為200 mm，上下面板之間高度H為100 mm，上面板厚度tt與下面板厚度tb分別為4 mm，上下面板之間的面板厚度為tc為2 mm，面板的橫截面面積為上、下面板的截面面積與所含胞元截面面積之和，具體參數(shù)值見表2示。

楔形落錘長為420 mm，寬為200 mm，高為255 mm，與V形波紋夾層板的碰撞速度8.28 m/s，錘頭及配重系統(tǒng)最大質(zhì)量為1 350 kg，最大沖擊能量約50 kJ。

2.2 V形波紋船體板及落錘網(wǎng)格劃分

以波紋型船體板的幾何參數(shù)為依據(jù)，建立V形船體板的有限元結(jié)構(gòu)模型，通過大型有限元模型ABAQUS有限元分析軟件，建立四周固定的三維彈性可拉伸的殼單元模型。有限元模型的夾芯間距及上下面板間的高度分割為5個(gè)單元，夾芯層間的胞元也被劃分為5個(gè)單元，其中金屬板面板劃分為2個(gè)單元，長度和寬度大致相同，網(wǎng)格單元采用shell163單元，網(wǎng)格尺寸為10 mm。波紋型船體板有限元模型沒有考慮初始缺陷，模型的材料采用材料拉伸的材料力學(xué)性能參數(shù)，楔形錘體采用三維實(shí)體單元建立模型。楔形錘體的質(zhì)量通過材料密度控制，材料屬性密度設(shè)為0.007 5 g/mm³，力學(xué)屬性為彈性其中楊氏模量為235 000，泊松比為0.3。

2.3 裝配邊界條件設(shè)置

3 V形波紋型船體板有限元仿真分析

3.1 碰撞損傷

通過有限元仿真軟件ABAQUS對(duì)V形波紋型船體板進(jìn)行有限元仿真分析，波紋型船體板施加表面接觸力，由楔形錘體對(duì)船體板模型產(chǎn)生沖擊載荷，對(duì)V形波紋型船體板的屈曲響應(yīng)過程進(jìn)行分析，分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3。表3給出了V形波紋型船體板的一階屈曲特征值。

3.2 損傷變形

上底板整體發(fā)生凹陷和彎曲變形，平板與錘頭接觸區(qū)域沿Z方向形成塑性鉸線，非接觸區(qū)域主要發(fā)生了膜拉伸變形。錘頭與上底板接觸區(qū)域端部所受應(yīng)力最大。加筋結(jié)構(gòu)主要發(fā)生了彎曲變形和膜拉伸變形，位于錘頭正下方的四根加強(qiáng)筋發(fā)生了明顯的彎曲變形，此外，芯層出現(xiàn)了明顯的扭曲變形，未出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。

3.3 單元失效模式

船體板變形由整體變形和局部凹陷組成銜接處為剪切作用，作用位置稱為剪切點(diǎn)，也被叫作最先破裂點(diǎn)。隨后裂紋擴(kuò)展撕裂。由有限元仿真能夠更加清楚地看出失效形式及位置。該位置有剪切力和拉伸力。

3.4 能量耗散

見圖5以及表4表示V形波紋船體板結(jié)構(gòu)的能量吸收情況，結(jié)構(gòu)吸能性能是評(píng)估結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。從圖中可以看出，面板承受沖擊載荷后船體板的吸能均在上升。V形波紋船體板在0.02 s左右達(dá)到峰值，最大值為45.49 MJ。隨著錘頭的反彈，能量吸收曲線有較小的下降后趨于平緩，最終能量穩(wěn)定在44.63 MJ。在整個(gè)碰撞載荷作用過程中，船體板各構(gòu)件吸能變化趨勢(shì)總體保持一致，各構(gòu)件吸收能量隨著時(shí)間增加而增加。此外，船體板結(jié)構(gòu)中上面板為主要的塑性變形吸能構(gòu)件，計(jì)算結(jié)束時(shí)吸能在V形波紋船體板中的占比68.41%。因此，在設(shè)計(jì)船體面板時(shí)應(yīng)盡可能地提高外板的抗碰撞性能。

4 結(jié)語

通過準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，獲得了典型船用鋼材的力學(xué)性能參數(shù)，基于試驗(yàn)結(jié)果開展了材料非線性仿真輸入研究，考慮了材料硬化、不同網(wǎng)格失效應(yīng)變以及應(yīng)變率敏感性的影響，為結(jié)構(gòu)沖擊問題的非線性有限元仿真計(jì)算提供技術(shù)支撐。

該文對(duì)有限元仿真軟件非線性分析后發(fā)現(xiàn)，在楔形錘體沖擊載荷的作用下，對(duì)V形金屬波紋船體板的抗沖擊性能進(jìn)行極限分析，分析他們的極限承載能力和失效模式。從有限元分析結(jié)果可以看出V形波紋船體板在超過彈性階段后，即發(fā)生屈曲失效，在塑性階段仍然能夠具有一定的承載性能；最大變形發(fā)生在楔形錘體與船體板接觸的區(qū)域，波紋型船體板結(jié)構(gòu)主要吸能部分是上層面板和夾芯板。

參考文獻(xiàn)

[1]Villavicencio R， Liu B， Soares C G. Experimental and numerical analysis of a tanker side panel laterally punched by a knife edge indenter[J]. Marine Structures， 2014（37）： 173-202.

[2]Minorsky V U. An analysis of ship collisions with reference to protection of nuclear power plants[J]. Journal of Ship Research， 1958（2）：1-4.