1 引 言

船舶在航運(yùn)過程中面臨擱淺事故的危險(xiǎn)，根據(jù)英國(guó)勞氏船級(jí)社的全球事故統(tǒng)計(jì)分析[1，2],在各種事故造成的船舶損失中，擱淺和碰撞約占50%。船舶擱淺往往造成船體結(jié)構(gòu)破損、貨物泄漏、環(huán)境污染、人員傷亡等災(zāi)難性的后果，雖然大多數(shù)事故是由于人為因素，如操作失誤造成的，但要完全消除人為因素的影響幾乎是不可能的。因此，無論是從安全上、經(jīng)濟(jì)上，還是從環(huán)境保護(hù)上來看，提高船舶的抗擱淺性能都具有重要的意義。開展船舶擱淺研究，不僅有利于海上生命安全，防止海洋污染，而且也可為規(guī)定航運(yùn)繁忙區(qū)域中船舶的航速、操作規(guī)程以及解決海事糾紛提供依據(jù)。

小水線面船(SWATH)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新概念高性能艦船。SWATH船型的大部分排水體積深入水下，大部分有效容積升離水面，兩者的中間用水線面較小的支柱相連，使它具有像潛艇、水翼艇一樣的興波小，受波浪干擾小的特點(diǎn)；又因其船體分成左右兩部分，使它還具有雙體船甲板面積大，復(fù)原力臂大的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)的綜合效果就表現(xiàn)在該型船舶具有優(yōu)良的耐波性、寬敞的甲板面積、較強(qiáng)的生命力和良好的操縱性[3,4]。

船舶擱淺是一種復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，擱淺區(qū)構(gòu)件一般都要迅速超越彈性階段而進(jìn)入塑性流動(dòng)狀態(tài)，并可能出現(xiàn)撕裂、屈曲等各種形式的破壞或失效[5]。就船舶擱淺問題而言，如果想通過建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型而使之得到完全解析，則幾乎是不可能的；試驗(yàn)研究固然可以提供準(zhǔn)確可靠的結(jié)果，但船舶擱淺試驗(yàn)卻是一種極其昂貴的破壞性試驗(yàn)，而且難以實(shí)施[6]，并且擱淺問題本身的非線性性和不確定性也限制了試驗(yàn)結(jié)果的使用。因此，可以實(shí)現(xiàn)虛擬擱淺試驗(yàn)的有限元數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文從小水線面船的基本特點(diǎn)出發(fā)，重點(diǎn)研究了小水線面船擱淺的有限元數(shù)值仿真技術(shù)，并對(duì)提高小水線面船抗擱淺性能的途徑進(jìn)行了初步探索。

2 有限元模型

2.1 擱淺數(shù)值仿真的模型描述

在小水線面船的擱淺過程中，船的擱淺區(qū)域構(gòu)件將發(fā)生很大的彈塑性變形(尤以塑性變形為主)，而在其余區(qū)域僅僅發(fā)生不同程度的彈性變形，非擱淺區(qū)的彈性變形和擱淺區(qū)的塑性變形相比非常小[7]，完全可以忽略不計(jì)。因此，在研究中可以采用這樣的處理方法：假設(shè)只有擱淺區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生彈塑性大變形，建模時(shí)作為可變形結(jié)構(gòu)；而非擱淺區(qū)的船體結(jié)構(gòu)不發(fā)生任何變形視之為剛體。由于擱淺過程中船舶的運(yùn)動(dòng)主要是縱蕩，船體周圍水的影響相對(duì)很小，可以直接采用附連水質(zhì)量來加以處理，以進(jìn)一步減少仿真計(jì)算的CPU時(shí)間(在仿真分析中，流體結(jié)構(gòu)的耦合計(jì)算最耗時(shí))。按照上述考慮，擱淺仿真計(jì)算模型可由3部分組成：擱淺船；擱淺障礙物；擱淺船周圍的水。

2.2 小水線面船擱淺模式

船舶擱淺的一般狀態(tài)是：水中障礙物與船底接觸，使船無法前進(jìn)。水中障礙物的作用使船的局部升起，船被停止在障礙物上。一般而言，水中障礙物可以分為2大類：泥沙類和巖石類。因而，小水線面船擱淺時(shí)船底所觸及的海底，可能是泥沙海底，也可能是巖石海底，在沿海淺水處主要是泥沙底。我國(guó)自主研制的第一艘小水線面船——海關(guān)監(jiān)管艇，2003年在珠海海域出現(xiàn)擱淺事故，就是擱淺在泥沙底上。

關(guān)于小水線面船的擱淺模式，陳志堅(jiān)等在文獻(xiàn)[8]中進(jìn)行了詳細(xì)分析，且認(rèn)為單點(diǎn)擱淺模式是小水線面船擱淺問題的研究重點(diǎn)。本文在進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)也采用單點(diǎn)擱淺模式，如圖1所示。

圖1 小水線面船單點(diǎn)擱淺模式

2.3 材料的本構(gòu)模型

小水線面船擱淺數(shù)值仿真中存在兩種主要的材料模型：船體用鋼材和擱淺障礙物材料(土壤或巖石)。船體用鋼材是一種典型的彈塑性材料，擱淺障礙物則一般為巖土材料。巖土是由固體土顆粒、水和空氣組成?？諝夂退畛涔腆w骨架中顆粒間的空隙。一般而言，孔隙體積近似等于或大于固體骨架的體積。由于固體顆粒間的連接沒有混凝土和金屬材料那樣牢固，因而固體顆粒重新排列產(chǎn)生的體積應(yīng)變將會(huì)改變孔隙體積。在固體骨架中，全應(yīng)力、有效應(yīng)力和孔隙壓力三者之間的相互作用是土的響應(yīng)和建模的重要方面，它們之間的關(guān)系可表示為：

∑ij=σij+uδij

(1)

式中，∑ij，σij和u分別表示全應(yīng)力、有效應(yīng)力和孔隙壓力。

隨著人們對(duì)巖土材料模型研究的深入，SANDLER和BARON等人提出了一簇通用的模型，用于分析包括土和巖石材料在內(nèi)的多種巖土工程問題[9]。這些模型由于形狀頗似帽子，故一般稱為帽蓋模型。帽蓋模型的基本特征方程如下:

ε=εe+εp

(2)

σ=C(ε-εp)

(3)

式中，ε、εe和εp分別表示巖土的總應(yīng)變、彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，σ表示應(yīng)力張量，C為彈性矩陣。

關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則表示如下：

(4)

式中，F(xiàn)1為失效包絡(luò)面，F(xiàn)2為強(qiáng)化帽蓋面，F(xiàn)3為固定壓力斷面。帽蓋模型就是用這3個(gè)面所定義的屈服面來描述的塑性模型。帽蓋模型中的典型屈服面如圖2所示。

圖2 帽蓋模型中的典型屈服面

圖2中，J1為應(yīng)力張量第1不變量、J2d為應(yīng)力偏張量第2不變量。

3 數(shù)值仿真計(jì)算與結(jié)果

按照上節(jié)所述方法建立有限元模型，采用殼單元模擬小水線面船船體外殼，且對(duì)連接橋以上部分做剛體處理，采用梁?jiǎn)卧M骨架部分，有限元模型如圖1所示。附連水質(zhì)量采用集中質(zhì)量的方式添加在水線以下船體外表面上。計(jì)算中有關(guān)材料參數(shù)為：

巖土材料密度：2.7×10-6N/mm2；剪切模量：40 N/mm2；體積模量：66.67 N/mm2；失效帽蓋面參數(shù)：0.165；帽蓋面軸心率：1.6；硬化法則系數(shù)：0.42；硬化法則指數(shù)：0.1。

本文計(jì)算狀態(tài)設(shè)為：船速5 m/s，水平航行，潛體中線在土壤上表面以上0.5 m。

在小水線面船擱淺過程中，除產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷變形外，由于擱淺力的出現(xiàn)，也會(huì)造成巨大的沖擊加速度，并引起船體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，另外還伴隨著能量吸收問題。小水線面船擱淺過程中的能量吸收情況比較復(fù)雜，既有小水線面船本身的動(dòng)能損失，也有擱淺過程中擠壓產(chǎn)生的變形能，還有摩擦生熱、四周流體吸收的能量等，為了分析問題方便，本文認(rèn)為在擱淺過程中的摩擦生熱相比于變形能小很多，可以忽略不計(jì)[10]。因此，本文研究認(rèn)為小水線面船的動(dòng)能損失基本上轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的變形能。

由于不同構(gòu)件的能量吸收情況不一樣，為了比較方便，本文分別對(duì)外板、艙壁板、橫框架和縱骨的能量吸收情況進(jìn)行比較分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 小水線面船擱淺過程的能量吸收

從圖3中可以看出：小水線面船擱淺過程中各個(gè)構(gòu)件所吸收的能量是不同的。外板和橫框架是最主要的吸能構(gòu)件，其次是縱骨，艙壁板吸收的能量最少。另外，從仿真計(jì)算結(jié)果還發(fā)現(xiàn)：潛體外板已經(jīng)破裂，內(nèi)部骨架也發(fā)生了嚴(yán)重的擠壓變形。由于在擱淺中小水線面船的動(dòng)能基本上轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的變形能，構(gòu)件的吸能能力反映了該構(gòu)件在擱淺中所起作用的大小。因此，在考慮提高小水線面船的抗擱淺性能時(shí)可以從加強(qiáng)外板和橫框架入手。

4 結(jié)束語

采用有限元方法對(duì)小水線面船擱淺問題進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：小水線面船擱淺過程中各個(gè)構(gòu)件所吸收的能量是不同的。外板和橫框架是最主要的吸能構(gòu)件，其次是縱骨，艙壁板吸收的能量最少。因此，在考慮提高小水線面船的抗擱淺性能時(shí)可以從加強(qiáng)外板和橫框架入手。

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