李 慧,張 磊,甘浪雄,鄭元洲,趙曉博

(武漢理工大學(xué) a.航運(yùn)學(xué)院;b.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430063)

夾層板改善單舷側(cè)散貨船耐撞性能的數(shù)值模擬分析

李 慧,張 磊,甘浪雄,鄭元洲,趙曉博

(武漢理工大學(xué) a.航運(yùn)學(xué)院;b.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430063)

船舶碰撞事故中船艏對船中垂直碰撞是最為危險的情形，為提高船舶的防撞性，在單層殼舷側(cè)填充夾層(蜂窩式夾層板、圓管式夾層板、折疊式夾層板等)以提高舷側(cè)結(jié)構(gòu)的能量吸收能力。利用有限元仿真軟件MSC/Dytran對改進(jìn)的夾層板舷側(cè)結(jié)構(gòu)及常規(guī)舷側(cè)結(jié)構(gòu)在橫向沖擊載荷作用下的變形損傷、能量吸收及極限撞擊速度進(jìn)行對比分析。數(shù)值仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的夾層板結(jié)構(gòu)顯著提高了舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞能力，是一種先進(jìn)的船舶防護(hù)結(jié)構(gòu)形式，且圓管式夾層板結(jié)構(gòu)最理想，上蒙皮為其主要吸能構(gòu)件。

防撞性；船舶碰撞；夾層板；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

船舶碰撞是短時間內(nèi)在巨大碰撞載荷下復(fù)雜的非線性動態(tài)響應(yīng)過程，往往會造成船舶的內(nèi)外部構(gòu)件的形變或破裂,以及貨物損失、人員傷亡、環(huán)境污染等嚴(yán)重后果。當(dāng)船舶碰撞事故無法避免時，減少船舶碰撞損失有兩種方法：一是改變影響結(jié)構(gòu)破損程度的條件，其中，外部因素的影響較大，如碰撞船舶的相對運(yùn)動，碰撞位置及角度等[1]；二是改善船舶自身的防撞性能，比如對船舶結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化或者設(shè)計具有特殊吸能性材料。開展船舶碰撞研究的主要目的在于改善船舶自身的防撞性能，因此如何有效提高船體結(jié)構(gòu)的耐撞性能是本文研究的重點(diǎn)。優(yōu)化傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是提高結(jié)構(gòu)耐撞性能的方法之一，但僅靠這種方法效果是有限的。大量的研究表明，提高結(jié)構(gòu)耐撞性能的主要途徑在于設(shè)計新型高效的吸能結(jié)構(gòu)[2]。

目前，為提高船體結(jié)構(gòu)的耐撞性能，國內(nèi)外學(xué)者先后提出不同種類的船舶耐撞結(jié)構(gòu)。王自力等[3]通過對常規(guī)舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能的研究，提出了內(nèi)充泡沫塑料形式的薄壁方管單殼舷側(cè)耐撞結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有良好的吸能特性；姜金輝等[4]基于先進(jìn)的IFP(Improve Frame Panel)舷側(cè)骨架結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一種可以顯著提高船體的側(cè)向抗撞能力的新式單殼舷側(cè)耐撞結(jié)構(gòu)；Kim和Lee[5]提出了兩種新型的雙殼結(jié)構(gòu)以改善VLCC船舶舷側(cè)的耐撞性能；Brown等[6]通過增加水平桁材數(shù)目、肋板數(shù)目和改變尺寸等方案來提高船側(cè)的耐撞性。通過對常規(guī)舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良優(yōu)化，設(shè)計出新型的耐撞結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到改善船舶耐撞性能的目的。

本文主要從夾層板結(jié)構(gòu)方面考慮，研究表明，夾層板結(jié)構(gòu)通常由上下蒙皮及夾層結(jié)構(gòu)組成，具有比強(qiáng)高、絕緣性能好、噪聲低、功能設(shè)計多樣化等優(yōu)勢，形式多樣且應(yīng)用廣泛[7]。本文通過在單層舷側(cè)增加填充式夾層結(jié)構(gòu)來研究船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞性能。文章基于蜂窩式夾層板、折疊式夾層板及圓管式夾層板理論提出了3種特殊的單殼耐撞結(jié)構(gòu)形式;利用非線性有限元軟件MSC. Dytran對3種特殊夾層板單殼結(jié)構(gòu)的吸能特性、損傷變形等進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，并與常規(guī)單殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析。

1 單殼船舷側(cè)夾層板結(jié)構(gòu)設(shè)計

在確保船側(cè)外板不變的情況下，在單層船殼外板內(nèi)側(cè)增加一層夾層，夾層厚度與原有結(jié)構(gòu)骨材(縱骨或肋骨)沿船寬方向的長度相當(dāng)。

針對舷側(cè)夾層板結(jié)構(gòu)設(shè)計，本文以7萬t級散貨船船中艙段為研究對象，設(shè)計3種船側(cè)填充式夾層結(jié)構(gòu)：圓管式夾層板、蜂窩式夾層板和折疊式夾層板。填充夾層沿船長方向分布，3種設(shè)計形式見圖1。

圖1 船側(cè)填充式夾層結(jié)構(gòu)示意

通過對普通單殼船側(cè)結(jié)構(gòu)增加夾層來驗(yàn)證夾層板對增強(qiáng)船側(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用，同時通過對比分析3種填充結(jié)構(gòu)在同一船舶撞擊下的損傷變形及吸能，確定對船舶防撞性能改善最大的設(shè)計?？紤]到填充結(jié)構(gòu)增加了船舶質(zhì)量，對比3種設(shè)計方案，計算每種設(shè)計方案單位質(zhì)量的防撞性能增加量，確定最優(yōu)的夾層板結(jié)構(gòu)方案。

2 夾層板結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 船舶參數(shù)

船舶碰撞事故中船艏對船中垂直碰撞是最為危險的情形，實(shí)際碰撞中，碰撞區(qū)多集中在船舶內(nèi)底板至主甲板間的水線面附近結(jié)構(gòu)。為了研究不同舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞性能，本研究將兩船的碰撞位置設(shè)置在舷側(cè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化處。碰撞船及被撞船的參數(shù)見表1。

表1 碰撞船舶參數(shù)

2.2 模型參數(shù)

被撞船常規(guī)艙段結(jié)構(gòu)質(zhì)量為795 440 kg，試驗(yàn)中圓管式夾層板結(jié)構(gòu)艙段的質(zhì)量為831 276 kg，蜂窩式夾層板結(jié)構(gòu)艙段的質(zhì)量為825 868 kg，折疊式夾層板結(jié)構(gòu)艙段的質(zhì)量為826 673 kg。艙段長26.88 m，寬32.2 m，高18.6 m。夾層板結(jié)構(gòu)由上、下蒙皮以及夾層組成。其中，上蒙皮和下蒙皮高5.8 m，板厚0.018 m；夾層厚度為0.4 m，板厚0.012 m。改進(jìn)后的船側(cè)結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2。

圖2 常規(guī)舷側(cè)結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 改進(jìn)后舷側(cè)結(jié)構(gòu)有限元模型

本研究主要探討的是夾層板結(jié)構(gòu)對于舷側(cè)結(jié)構(gòu)防撞性能的影響。試驗(yàn)中，采用船體艙段代替整船模型，考慮到船舶質(zhì)量及慣性矩對于計算結(jié)果的影響，有必要對船舶質(zhì)量進(jìn)行分配，確保艙段模型的質(zhì)心及慣性矩與整船一致。由于船舶碰撞具有局部效應(yīng)，遠(yuǎn)離碰撞區(qū)的結(jié)構(gòu)形變很小，因此，遠(yuǎn)離碰撞區(qū)的模型可采用等效梁替代[8]，船體除參與碰撞的艙段外其余質(zhì)量分配在等效梁上。常規(guī)舷側(cè)船舶質(zhì)量為M0，其中船舶局部艙段的質(zhì)量為m1，等效梁的質(zhì)量為m2，即M0=m1+m2。

試驗(yàn)假定碰撞船船艏為剛體，被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)為變形體，有限元模型均為四節(jié)點(diǎn)或三節(jié)點(diǎn)殼單元。為簡化分析過程，被撞船處于靜止?fàn)顟B(tài)，碰撞船艏與被撞船側(cè)發(fā)生垂直碰撞(碰撞角90°)。本試驗(yàn)?zāi)M碰撞船艏在15 kn(7.8 m/s)速度下對被撞船船側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞，碰撞中被撞船船長、型深方向被約束，可沿船寬方向運(yùn)動，碰撞船舶僅有水平面內(nèi)的平動，碰撞船舶間的接觸為自適應(yīng)主從接觸。

碰撞過程中，船體周圍的流體以附加水質(zhì)量考慮，附加水質(zhì)量施加到舷側(cè)非碰撞區(qū)一側(cè)[9]，如圖4所示。附加水質(zhì)量為ΔM0，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，附加水質(zhì)量系數(shù)為0.4[10]。因船側(cè)結(jié)構(gòu)增加了填充夾層，船舶質(zhì)量增加，增加的質(zhì)量記為Δm。因此試驗(yàn)中，具有夾層板的被撞船總質(zhì)量M=M0+Δm+ΔM0。其中ΔM0=0.4(M0+Δm)。

圖4 附加水質(zhì)量附加區(qū)域

船體質(zhì)量通過調(diào)整艙段及等效梁的密度實(shí)現(xiàn)。各舷側(cè)結(jié)構(gòu)的密度見表2。其中:夾層采用聚氨酯彈性體材料，密度為1 200 kg/m3，彈性模量820 MPa，泊松比0.44，屈服應(yīng)力26 MPa，材料最大塑性應(yīng)變?nèi)?.7[11]。

表2 各舷側(cè)結(jié)構(gòu)密度 kg/m3

本研究選擇船用結(jié)構(gòu)鋼(低碳鋼)作為船體材料，為了研究碰撞區(qū)域整體的結(jié)構(gòu)損傷情況，在Dytran中，其材料模型采用考慮應(yīng)變率效應(yīng)的塑性動態(tài)模型，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為235 GPa。該模型滿足Cowper symonds本構(gòu)方程：

(1)

3 仿真結(jié)果分析

利用非線性有限元動態(tài)響應(yīng)分析程序MSC/Dytran，采用拉格朗日求解器，顯式積分法進(jìn)行計算，計算時無須進(jìn)行矩陣求逆，只需求解關(guān)于每個自由度的獨(dú)立一元一次代數(shù)方程，使得計算效率大大提高。為了提高計算精度，經(jīng)過多次試驗(yàn)，有限元網(wǎng)絡(luò)長寬劃分基本相等，平均取0.8 m，碰撞船舶間從面網(wǎng)絡(luò)比主面網(wǎng)絡(luò)細(xì)，且被撞船舷側(cè)碰撞區(qū)網(wǎng)絡(luò)較其他區(qū)域更密集。

利用MSC/Dytran對新式填充式舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞模型進(jìn)行數(shù)值仿真，并與常規(guī)舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，設(shè)定碰撞時間0.8 s，碰撞位置位于艙段舷側(cè)中部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化區(qū)域。碰撞船初始速度15 kn，兩船初始距離為0.175 m。

3.1 結(jié)構(gòu)受損情況分析

圖5為常規(guī)舷側(cè)結(jié)構(gòu)及3種夾層板結(jié)構(gòu)的損傷變形云圖。從圖中可以看出，舷側(cè)結(jié)構(gòu)的損傷變形基本集中于碰撞接觸區(qū)域，即結(jié)構(gòu)優(yōu)化區(qū)域，且損傷變形區(qū)域基本對稱。碰撞力的每一次卸載都代表了某種構(gòu)件的失效或破壞，達(dá)到應(yīng)變失效準(zhǔn)則的單元將自動隱去，即失效單元從網(wǎng)絡(luò)中被去除，從而在舷側(cè)形成空洞。通過對仿真試驗(yàn)的進(jìn)一步觀察可以得出，被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞區(qū)主要發(fā)生拉伸和撕裂，外殼變形不斷向兩端延伸，且縱向拉伸逐漸增大，直至外殼撕裂。

圖5 結(jié)構(gòu)損傷變形

與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，3種夾層板結(jié)構(gòu)的損傷變形范圍擴(kuò)大，意味著有更多的結(jié)構(gòu)參與了變形吸能，從而增加了舷側(cè)結(jié)構(gòu)的吸能能力，緩解了破損程度。

通過觀察仿真應(yīng)力時序圖發(fā)現(xiàn)，常規(guī)式舷側(cè)結(jié)構(gòu)外板在0.25 s時破裂；蜂窩式填充結(jié)構(gòu)外板在0.37 s時破裂；圓管式填充結(jié)構(gòu)外板在0.44 s時破裂；折疊式填充結(jié)構(gòu)外板在0.35 s時破裂。因此，夾層板舷側(cè)結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，明顯推遲了舷側(cè)外板的破裂，其中圓管式舷側(cè)結(jié)構(gòu)效果最明顯。

3.2 能量吸收分析

通過對比分析，3種夾層板結(jié)構(gòu)均明顯增強(qiáng)了舷側(cè)結(jié)構(gòu)的能量吸收能力,見圖6。主要原因是在船舶碰撞過程中，夾層板結(jié)構(gòu)增加了參與吸能的構(gòu)件數(shù)。對單殼船舶來說，其極限狀態(tài)是舷側(cè)外板破裂。仿真結(jié)果顯示，常規(guī)式舷側(cè)結(jié)構(gòu)外板在0.25 s時破裂(a點(diǎn))，此時舷側(cè)吸能為35 177 kJ；蜂窩式填充結(jié)構(gòu)外板在0.37 s時破裂(b點(diǎn))，此時舷側(cè)吸能為102 827 kJ；圓管式填充結(jié)構(gòu)外板在0.44 s時破裂(c點(diǎn))，此時舷側(cè)吸能為136 825 kJ；折疊式填充結(jié)構(gòu)外板在0.35 s時破裂(d點(diǎn))，此時舷側(cè)吸能為107 734 kJ。3種夾層板結(jié)構(gòu)的能量吸收較常規(guī)式結(jié)構(gòu)顯著增加。單純就外板破裂時的極限吸能而言，圓管式填充結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)船側(cè)結(jié)構(gòu)防撞性能上效果最好。通過進(jìn)一步仿真計算，常規(guī)式舷側(cè)結(jié)構(gòu)在撞深至1.73 m時舷側(cè)外板破裂；蜂窩式舷側(cè)結(jié)構(gòu)在撞深至2.38 m時舷側(cè)外板破裂；圓管式舷側(cè)結(jié)構(gòu)在撞深至2.88 m時舷側(cè)外板破裂；折疊式舷側(cè)結(jié)構(gòu)在撞深至2.30 m時舷側(cè)外板破裂。因此，夾層板舷側(cè)結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，明顯延緩了舷側(cè)外板的破裂，其中圓管式舷側(cè)結(jié)構(gòu)最為理想。

圖6 能量吸收曲線

由于夾層板結(jié)構(gòu)增加了船體質(zhì)量，單純依據(jù)舷側(cè)外板破裂時的撞深和能量吸收尚不足以確定3種改進(jìn)舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗撞性能的優(yōu)劣。因此，采用耐撞性指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。耐撞性指標(biāo)是指在某一極限狀態(tài)下，單位結(jié)構(gòu)重量所吸收的能量大小，又稱為比能[13]。相對指標(biāo)是對于耐撞性指標(biāo)而言的。將常規(guī)式舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞性指標(biāo)結(jié)果設(shè)為基數(shù)100，其他3種結(jié)構(gòu)以相同的倍數(shù)換算成相對指標(biāo)，以更為直觀和清晰的表示其大小。

表3采用耐撞性指標(biāo)對3種夾層板舷側(cè)結(jié)構(gòu)和常規(guī)舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，并衡量了質(zhì)量增量與吸能增量的比重，表中的能量吸收是指外板破裂時的極限變形能。

表3 多種結(jié)構(gòu)耐撞性能對比

由表3可見，3種夾層板舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞性指標(biāo)較常規(guī)舷側(cè)結(jié)構(gòu)增加明顯。以外板破裂時作為臨界條件，蜂窩式舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞性指標(biāo)提高了182%，圓管式舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞性指標(biāo)提高了272%，折疊式舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞性指標(biāo)提高了195%。比較重量增量和吸能增量可以看出，3種夾層板舷側(cè)結(jié)構(gòu)的重量增加都非常小，而且這個增加的比例只是針對仿真計算中所取的艙段舷側(cè)結(jié)構(gòu)重量而言的，若考慮全船質(zhì)量，則船體重量增加的比例與吸能增量相比，將顯得微乎其微。綜合比較3種夾層板結(jié)構(gòu)的撞深，能量吸收能力以及耐撞性指標(biāo)，得出圓管式夾層板舷側(cè)結(jié)構(gòu)最為理想。

圖7表示圓管式夾層板舷側(cè)各構(gòu)件吸收的變形能隨時間的變化曲線，顯示了被撞船碰撞區(qū)一側(cè)的上蒙皮、下蒙皮和夾層結(jié)構(gòu)的吸能情況。從圖中可以看出，上蒙皮為主要吸能構(gòu)件，下蒙皮次之。由于碰撞的位置發(fā)生在舷側(cè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化區(qū)域，且隨著碰撞的發(fā)生，參與變形的外板范圍不斷擴(kuò)大，因此上蒙皮吸收了較多的能量，逐漸成為主要的吸能構(gòu)件。在碰撞初期，夾層能量吸收大于下蒙皮的能量吸收，但隨著撞深的增加，夾層發(fā)生了較大的壓潰變形，吸能增加減緩，與此同時下蒙皮彎曲變形增大，吸能增加；而隨著撞深的進(jìn)一步增加，下蒙皮和夾層吸能減緩。從仿真數(shù)據(jù)分析可得，在3個構(gòu)件中，上蒙皮吸能占了總吸收變形能的51%，為最主要的吸能構(gòu)件。

圖7 各構(gòu)件能量吸收

3.3 極限撞擊速度

極限撞擊速度通常被用來確定船舶的耐撞性等級，在工程上應(yīng)用廣泛。本文采用德國勞氏船舶入級與建造規(guī)范中的極限速度計算公式[14]，計算4種舷側(cè)結(jié)構(gòu)的極限撞擊速度，從而確定等級最高的舷側(cè)結(jié)構(gòu)。

(2)

式中：Ecr——極限變性能，kJ；m1——撞擊船的質(zhì)量，包括10%的附加水質(zhì)量，t；

m2——被撞船的質(zhì)量，包括40%的附加水質(zhì)量，t；

Vcr——極限撞擊速度。計算結(jié)果見表4。

表4 極限撞擊速度比較

由表4可見，3種夾層板結(jié)構(gòu)的極限撞擊速度均高于常規(guī)舷側(cè)結(jié)構(gòu)，說明夾層板結(jié)構(gòu)提高了舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞性等級。其中，圓管式舷側(cè)結(jié)構(gòu)的極限撞擊速度最大，即其耐撞性等級最高。 因此，就耐撞性等級而言，圓管式夾層板舷側(cè)結(jié)構(gòu)最為理想。

4 結(jié)論

1)船舶碰撞損傷具有明顯的局部性，在碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)受損較大，遠(yuǎn)離碰撞區(qū)的結(jié)構(gòu)幾乎沒有損傷。

2)夾層板舷側(cè)結(jié)構(gòu)明顯延緩了舷側(cè)外板的破裂，改善了舷側(cè)的損傷變形，明顯加強(qiáng)了舷側(cè)結(jié)構(gòu)的能量吸收能力，其耐撞性指標(biāo)顯著提高，且耐撞性等級也有所增加。綜合分析得出，圓管式夾層板舷側(cè)結(jié)構(gòu)最為理想。

3)通過比較圓管式夾層板舷側(cè)各構(gòu)件吸能的情況，得出上蒙皮為主要的吸能構(gòu)件。

4)雖然采用夾層板后船體質(zhì)量會有所增加，但增加量很小，若考慮全船，則船舶重量增加的比例與吸能增量相比，將顯得微乎其微。

5)夾層板結(jié)構(gòu)增加了船舶的防撞性能，可以為船舶設(shè)計提供參考。在船體結(jié)構(gòu)的易損區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改良，在不影響船舶總縱強(qiáng)度的前提下，可以添加必要的夾層板結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)船舶的防撞性能。

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Numerical Simulation of Improving the Crashworthiness of the Single Hull Bulk Carrier By Sandwich Plate

LI Hui, ZHANG Lei, GAN Lang-xiong, ZHENG Yuan-zhou, ZHAO Xiao-bo

(a. School of Navigation; b. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The bow of a ship colliding directly to another ship's amidships is the worst situation in ship-ship collision. In order to improve the crashworthiness of the ship, the sandwich material, such as honeycomb sandwich plate, tube-style sandwich panels, folding sandwich plate etc. can be filled in the side of the single-hull bulk carrier to increase the energy absorption capacity of side structure. The damage deformation, the critical collision speed as well as the energy absorption of improved side structure filled with sandwich are compared with the conventional type of side structure under lateral dynamic loads by MSC/Dytran. The results indicate that the improved side structure filled with sandwich can remarkably improve the side structure's ability against collision, and the effect of the tube-style sandwich panels structure is best whose upper skin is the main energy-absorbing component.

crashworthiness; ship collision; sandwich plate; structure optimization

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.009

2015-08-11

武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金項(xiàng)目(2015-zy-108)； 湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB856)

李 慧(1991-)，女，碩士生

U661.7

A

1671-7953(2015)06-0035-06

修回日期：2015-09-21

研究方向:船舶航行安全保障技術(shù)

E-mail: 496465818@qq.com