張 健，卞辰慧

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著海運行業(yè)對于運輸效率的要求不斷提高，大型、快速化已經成為船舶設計建造的主流方向。船舶航速的提高及船型的增大使得船舶碰撞事故發(fā)生的概率也隨之增大。由于船舶重量大、船舶碰撞動能較大，往往會造成巨大損失，因此船體結構的抗撞防護性受到越來越多的學者關注。為此，許多學者提出了各種抗沖擊結構設計方案和開發(fā)應用具有沖擊防護特性的防護結構材料。李慧等[1]在單層舷側內添加折疊式、圓管式和蜂窩式-夾層板；王自力等[2]提出了內充泡沫塑料的薄壁方管——FCT舷側結構。優(yōu)化傳統(tǒng)舷側結構，設計新型耐撞結構的方法固然可以提高結構的耐撞性，但同時也帶來了其他問題，如船舶重量增加，制造繁瑣及成本增加等，所以僅靠這些方法效果是有限的。為了提高結構的防護性能，聚脲這種新型綠色材料應運而生。

聚脲材料早已在鋼結構防腐、混凝土防護工程、鐵路交通、港口設施、水電工程、核電工程，船舶工業(yè)等領域廣泛應用[3-5]，相關研究也頗多。較其他涂層，聚脲不僅具有多功能性，還有優(yōu)異的物理性能、化學性能及力學性能。這些優(yōu)良的特性使得聚脲可以改變在沖擊載荷下結構的響應特性，增強其防護性能[6]。高照等[7]對不同噴涂方式和厚度的聚脲涂層復合結構在高速彈丸沖擊下的抗侵徹性能進行了試驗研究，結果表明：在彈體沖擊過程中，前涂覆聚脲能夠使彈體與鋼靶之間的撞擊載荷得到有效緩沖，且提高了復合結構的彈道極限；后涂覆聚脲在較高的彈速下有更好的吸能效果。趙鵬鐸等[8]針對不同聚脲涂覆方式下單鋼板和箱體結構的抗爆性能進行了對比試驗研究，結果表明，等鋼板厚度時涂覆聚脲能夠有效提高鋼板和箱體結構的抗爆性，且背爆面涂覆效果優(yōu)于迎爆面涂覆。因此，聚脲涂層在防護工程領域具有巨大且有價值的應用前景。

鑒于學者們將聚脲材料多應用于抗侵徹性能和抗爆性能[9-12]，而針對碰撞載荷的研究工作卻沒有，且在碰撞載荷下舷側結構遭到破壞的危險性最大，因此本文以某型艦船舷側結構為依據(jù)，利用MSC/Dytran軟件對模型進行數(shù)值仿真，根據(jù)仿真結果確定落錘高度及試驗工況，并結合相應的船體舷側板架落錘沖擊試驗，對聚脲材料的抗撞防護性能進行研究，為聚脲涂層復合結構設計提供參考。

1 聚脲材料的力學性能

聚脲是由異氰酸酯組分（簡稱A組分）和氨基化合物（簡稱B組分）反應而成的高性能的彈性體噴涂材料。VOC（揮發(fā)性有機物）含量為零，固含量100%。聚脲材料不僅造價低廉，而且理化性能優(yōu)良，如質量輕、抗沖擊強度高、柔韌性好、防水、防腐蝕、耐磨耐老化、附著力強、施工性能好。國內外學者率先研究了聚脲材料的力學性能，研究和試驗表明[13-15]，聚脲材料有明顯的應變率敏感效應，隨著應變率從低到高，聚脲材料則從橡膠狀材料轉變?yōu)椴Ａ畈牧?，且強度和剛度有所增加。本文聚脲材料采用的是LINE-X?公司的XS-350。

要想研究聚脲涂層舷側結構的抗撞性能，就要提供必要的力學參數(shù)，因此需要對聚脲涂覆鋼板的力學性能進行測試。利用WDW-200D微機控制電子式萬能材料試驗機進行拉伸試驗。試驗機可獲得低應變率下(＜1 s-1)的應力-應變曲線，其中慣性效應可以忽略不計，被稱為準靜態(tài)狀態(tài)。試樣為5 mm厚聚脲材料與1 mm厚20#鋼復合后形成的復合材料，復合材料為70 mm×200 mm的長條狀。

圖1為由實驗數(shù)據(jù)得到的聚脲涂覆鋼板的應力-應變曲線，大致可以分為3個階段：

1）線彈性階段，拉伸曲線剛開始階段，應力與應變基本呈線性關系，符合虎克定律，應力與應變的線性關系用彈性模量E來表征。此階段的應變范圍約為0～0.03。

2）應力平臺階段，復合材料沒有明顯的屈服點，只是出現(xiàn)較大的弧形變化區(qū)，在應變急劇增加的情況下應力變化不大。

圖1 應變-應力曲線Fig.1 Strain-stress curve of composite material

3）非線性變形階段，在試樣的某一局部范圍內，橫向尺寸突然急劇縮小，形成縮頸現(xiàn)象。由于在縮頸部分橫截面面積迅速減小，使試樣繼續(xù)伸長所需要應力也相應減小。

試樣的抗拉強度計算式如下：

式中：σ為試樣的拉伸強度，MPa；F為試樣斷裂時的載荷，N；A為試樣初始的橫截面積，m2。

根據(jù)公式可以得到聚脲涂覆鋼板的抗拉強度約為846～897 MPa，查閱資料可知20#鋼抗拉強度為410 MPa，聚脲為224 MPa。結合實驗可以看出，聚脲涂覆鋼板的強度大幅升高，且涂層于鋼板失效前未發(fā)生斷裂或剝落。這是由于聚脲材料有較高的伸長率，再配合復合后的高強度可大幅提升材料的抗變形能力，因此可適用于防撞抗沖擊。表1為聚脲材料的主要力學參數(shù)。

表1 聚脲材料的主要力學參數(shù)Tab.1 Main mechanical parameters of polyurea materials

2 舷側板架落錘沖擊試驗研究

開展落錘碰撞載荷下舷側板架的結構響應試驗，測量噴涂聚脲材料在板架背面（包括加強筋）與不噴涂聚脲材料2種情況下船體板架的沖擊載荷、結構塑性變形等參數(shù)，分析板架結構的損傷變形、破口大小及碰撞力，并比較分析有無噴涂聚脲材料對結構抗撞防護性能的影響。

2.1 試驗裝置及模型尺寸

試驗采用撞頭自由落體沖擊方式撞擊板架的沖擊方案，落錘沖擊試驗系統(tǒng)主體試驗裝置如圖2所示。試驗布置了1個加速度傳感器在錘頭和錘體之間，用

來記錄沖擊過程中加速度的變化情況。其中舷側板架支撐結構設計如圖3所示，其直接與地基連接并具有足夠的剛度，同時，模型試件四周焊接在支座的內邊緣上，以保證提供足夠強的剛性約束[16]。

圖2 落錘試驗裝置圖Fig.2 Drop hammer test device diagram

圖3 試驗固定裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test fixture

試件板架以某型艦船中段舷側結構為依據(jù)加工，如圖4所示。材料采用高強度船體用結構鋼DH36，外板尺寸為1 060 mm×1 060 mm×5 mm，其中四周都預留30 mm用來焊接固定，有效區(qū)域為1 000 mm×1 000 mm，4根角鋼縱向排列，間距為300 mm，尺寸為80 mm×50 mm×4 mm，2根T型材橫向排列，間距為800 mm，腹板尺寸為6 mm×200 mm，面板尺寸為8 mm×80 mm。噴涂聚脲涂層厚度為5 mm。撞頭是半徑為75 mm的球形撞頭，其后伸長段的長度為250 mm，材料是GCr15（高碳鉻軸承鋼），質量為1 350 kg。

2.2 試驗工況

為了更加準確地制定模型試驗工況，首先利用顯式非線性有限元動態(tài)分析技術對1 350 kg落錘與舷側板架結構的沖擊試驗進行數(shù)值仿真計算。通過改變初始撞擊速度，用以模擬試驗中撞頭從不同高度處自由落下到達板架時的沖擊速度，從而找到板架破裂的臨界高度。

2.2.1 有限元模型

圖4 舷側板架結構模型Fig.4 Side frame structure model

以試驗模型為基礎，建立舷側板架落錘沖擊有限元模型，如圖5和圖6所示。圖中模型使用四節(jié)點縮減積分板殼單元（S4R），選取全局尺寸為10 mm網格進行分析計算。撞頭采用剛體材料本構模型。板架結構的材料參數(shù)如下：彈性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3，屈服應力355 MPa，最大失效應變0.23。其中考慮材料應變率敏感性，故選取Cowper-Symonds材料本構方程：

式中：σy為動態(tài)屈服應力；σ0為相應的靜態(tài)屈服應力； ε˙為應變率；D和P為應變率敏感參數(shù)，分別取40和 5。

圖5 有限元模型Fig.5 Finite element model

圖6 型材模型Fig.6 Profile model

約束條件以實際情況下落錘試驗為依據(jù)設定，邊界采用四周剛性固定。接觸選用自適應主從接觸，其中考慮到撞頭與板架之間的摩擦作用，選取摩擦系數(shù)為0.3。為了考察板架的抗撞擊性能，取板架最弱位置為撞擊點，即撞頭撞擊在板架板格中央上。利用迭代初始撞擊速度得到計算工況，即方案1板架未破和方案2板架破損。

2.2.2 數(shù)值仿真結果與分析

圖7為非線性動態(tài)響應分析程序MSC/Dytran計算得到的結構損傷變形情況。圖8為有限元計算得到的不同高度下碰撞力-時間關系曲線圖。

圖7 損傷變形情況Fig.7 Damage deformation

從圖7（a）中可以看到，板架未發(fā)生破損，此時撞頭下落高度為2.2 m；從圖7（b）中可以看到，撞頭直接穿透板架結構，破口處外板是由中間向四周撕裂，就損傷變形模式而言，舷側外板主要是撕裂破壞和膜拉伸變形，此時撞頭下落高度為2.3 m。對比2個方案可以看出，結構的損傷變形基本集中在受撞擊區(qū)域，而其他區(qū)域的結構變形很小，說明碰撞損傷具有局部性，且仿真計算得到的舷側板架破裂的臨界高度為2.2～2.3 m之間。圖8中曲線整體趨勢均呈現(xiàn)先加載至峰值再卸載的過程，最大碰撞力分別為222.85 kN和254.46 kN?？梢灶A見，舷側板架還有一定的抵抗能力，碰撞力存在一定的潛力，但隨著碰撞的繼續(xù)，舷側外板的破裂口會不斷加大，從而使抵抗力失去意義。當碰撞力達到最大值時，落錘高度為2.3 m。根據(jù)數(shù)值仿真的結果，取無涂層舷側板架破裂的臨界高度為2.3 m。

圖8 碰撞力-時間關系曲線Fig.8 Collision force-time curve

2.2.3 確定試驗工況

為了分析碰撞速度對結構動態(tài)響應的影響，深入剖析聚脲涂層板架的塑性變形規(guī)律，考慮實際碰撞場景并結合數(shù)值仿真的計算結果，取距臨界高度差為±300 mm的撞頭初始下落高度設置6種試驗工況見表2，采用3種落錘高度即3種碰撞速度，每種速度分別對有無涂層板架試件開展1次撞擊試驗，碰撞區(qū)域設置在板架最弱位置即板格中央。

表2 試驗工況匯總Tab.2 Summary of test conditions

3 試驗結果與分析

3.1 損傷變形

損傷變形是最直觀的物理量，試驗結束后用卷尺直接量取模型上破損的網格面積即為破口大??；通過

激光測距儀測量測點在試驗前后離基準平面的距離差即為塑性變形量。通過塑性變形范圍和程度以及破口大?。ㄈ绻财疲梢园l(fā)現(xiàn)結構的變形失效模式，并以此來評估結構耐撞性能。同時，此數(shù)據(jù)也可以用來檢驗仿真計算的精度。具體測點布置如圖9所示。

圖9 試件測點布置圖Fig.9 Layout of test points

試驗結束后舷側板架結構的損傷變形情況如表3所示。

表3 不同工況下的破口大小Tab.3 The size of the breach under different working conditions

可以發(fā)現(xiàn)：

1）對比工況3和工況4，舷側板架結構均發(fā)生了大變形，有涂層板架未發(fā)生破裂，在碰撞過程中的變形幅度相對較小且有一定幅度的振動，撞頭發(fā)生反彈，板架的變形模式主要為膜拉伸變形；而無涂層板架出現(xiàn)破裂，破口大小及形狀與撞頭基本一致，且呈現(xiàn)了碰撞問題損傷變形的局部性。通過高速攝像機的記錄看到，無涂層板架由于撞頭直接穿透，舷側外板的變形幅度相對較大，破口處板材由中間向四周發(fā)生撕裂，靠近破口處的骨材未破損，但出現(xiàn)較輕的側向彎曲變形。可見聚脲涂層的存在可以加強板架的抗沖擊能力。

2）對比工況5和工況6，有涂層和無涂層2種碰撞工況下板架結構均發(fā)生了破裂，且撕裂方式不同，工況5是由中間向四周擴散式，而工況6是由一側向另一側掀開式，產生撕裂方式不同的原因可能是由于焊縫導致該處周圍外板相對較弱。通過比較破口大小可以看到，有涂層的破口尺寸較無涂層的小。

表4給出了測點塑性變形量的分布情況，可以發(fā)現(xiàn)，各工況下測點塑性變形量呈現(xiàn)碰撞區(qū)域周圍較大，外圍很小的規(guī)律，且碰撞區(qū)域周圍的2個測點塑性變形量較大，剩下的幾乎可以忽略不計。對比相同撞擊位置以及相同的落錘高度工況發(fā)現(xiàn)，有涂層板架各個測點的塑性變形均小于無涂層板架，可見聚脲材料能夠有效有效減小板架的變形量。

3.2 碰撞力

通過安裝在撞頭和錘體間的加速度傳感器測量撞頭碰撞舷側板架過程中的碰撞加速度，由此得到的加速度-時間關系曲線如圖10所示。由于尚無直接測試撞頭與舷側板架接觸碰撞區(qū)的碰撞力的設備及手段，故試驗根據(jù)牛頓第二定律的方法利用碰撞加速度來計算碰撞力，即F（t）=m（t）a（t）[17]。

從圖10可以看到，曲線整體趨勢呈現(xiàn)先加載至峰值再卸載的過程，且加速度分布具有很強的非線性特征。其中工況1和工況2下板架未發(fā)生破裂失效，撞頭下落過程中隨著接觸面積逐漸增大，加速度迅速增加，加速度-時間關系曲線上的峰值時刻為舷側外板抵御撞頭的時刻，之后有一個卸載過程，且加速度卸載比較緩慢；其余工況由于板架發(fā)生破裂，加速度-時間關系曲線上的峰值對應著結構破裂失效時刻，此時各工況加速度峰值和碰撞力峰值見表5。對比同高度工況可以看出，有涂層板架峰值碰撞力大于無涂層板架，這是由于聚脲涂層具有很高的延伸率，使得有涂層板架能夠承受更大的作用力。

表5 各工況碰撞力峰值Tab.5 The peak of collision force in different working conditions

4 結 語

本文以某型艦船的舷側結構為依據(jù)制作模型板架，開展有無聚脲涂層舷側板架落錘沖擊試驗研究，深入剖析涂層板架的塑性變形規(guī)律，得到碰撞力及損傷變形結果，并對結果進行比較分析，揭示了結構在碰撞沖擊載荷下的損傷變形機理。主要結論如下：

1）在模型試驗前進行數(shù)值仿真抗撞性能評估，通過改變碰撞速度，旨在找出板架破裂的臨界高度，在此基礎上可以更為科學地確立落錘沖擊試驗工況。

2）碰撞力-時間關系曲線具有明顯的非線性特征且整體趨勢呈現(xiàn)先加載至峰值再卸載的過程，能夠很好地反映整個碰撞過程。有涂層板架的峰值碰撞力顯著大于無涂層板架，表明聚脲涂層能夠承受更大的沖擊力。

3）對比工況1和工況2，在相同撞擊位置及相同落錘高度下，板架均未發(fā)生破損，且有涂層板架的塑性變形顯著小于無涂層板，由此可見聚脲涂層能夠有效減小板架的變形量；對比工況3和工況4，無涂層板架產生破口，而有涂層板架未發(fā)生破裂，說明在船舶受到強烈沖擊而即將發(fā)生破損的臨界時刻，聚脲涂層能夠較好地保證船體的完整性和水密性，提高了艦船的生命力。