新型舷側防護結構耐撞性能研究

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(1.華中科技大學 船舶工程學院，武漢 430074；2.大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116023)

在傳統結構形式的基礎上開展結構耐撞性優化設計固然可以改善其耐撞性能，但其抗撞能力的提高卻是非常有限的。因此，新式耐撞結構的研究近年來受到了一定程度的重視。本文從船舶結構的角度出發，用ABAQUS/EXPLICIT數值仿真計算的方法，探究碰撞過程中結構的損傷變形及吸能的力學機理，在此基礎上設計3種新型船舶舷側結構，與傳統舷側結構進行耐撞性對比分析。

1 船舶舷側結構吸能機理概述

舷側耐撞結構是指在碰撞載荷的作用下，結構通過一定的塑性應變來吸收碰撞的能量，即在結構遭到碰撞時，能夠通過犧牲一些非主要構件或者船舶的外板以及外板上的構件吸收能量，以起到保護船舶內部結構和重要設備的作用，使船舶仍具有抗沉性和較強的剩余強度[1-2]。船舶吸能結構必須滿足船舶常規強度，在使用要求下，安全可靠、成本合理、簡單易行，且對船舶的結構重量沒有較大的影響[3-5]。受到碰撞載荷時，結構在載荷的作用下發生變形，在位移處載荷達到峰值pmax，此時結構出現局部失效破壞，此后結構受到持續壓潰載荷pav，pav和壓潰位移的乘積就是試件的可吸收能量。提高試件的緩沖吸能特性必須降低峰值載荷和提高持續壓潰載荷，具體可以用“比吸能”來衡量。

2 有限元模型

船舶之間的碰撞可能有多種情況，而一艘船舶的球鼻艏垂直撞擊另一艘船舶的舷側結構是最危險的情況之一。選擇此碰撞場景進行仿真分析。根據實際碰撞事故的調查結果，碰撞損傷將局限在球鼻艏與舷側結構相接觸的區域。

碰撞模型包括雙層舷側結構和球鼻艏兩部分，見圖1。球鼻艏結構模型見圖2。

圖1 傳統雙層結構碰撞模型

圖2 球鼻艏結構

為使撞頭質量與碰撞船的質量一致，賦予撞頭的材料密度為1 115 636 kg/m3，并賦予撞頭的初速度為10 m/s，使其具有相當于撞擊船舶的初動能。根據舷側結構的變形特點，確定其邊界條件為四周剛性固定。舷側結構采用考慮應變率敏感性的彈塑性材料，并根據模型中最小網格邊長確定最大塑性失效應變。材料密度7 800 kg/m3;彈性模量210 GPa;泊松比0.3。

以傳統雙層舷側結構為基礎，通過改變雙層舷側縱桁的結構形式，分別進行仿真計算，分析比較各種結構形式對舷側結構抗撞性能的影響，設計帽形、菱形、半圓管形3種新型縱桁形式的雙層舷側結構模型。

1)傳統雙層舷側結構。傳統雙層舷側結構具有外殼板、內殼板、舷側縱桁、舷側縱骨和橫框架等主要結構件。雙層舷側結構主要尺度為寬32 m、長50 m、高23 m、舷側縱桁間距5.95 m。見圖3。

圖3 傳統雙層舷側結構

2)帽形舷側結構。在原有的骨架基礎上，在舷側縱桁的內外兩端增加了一個梯形的結構。見圖4。

圖4 帽形舷側結構

3)菱形舷側結構。在原有的骨架基礎上，只改變縱桁的結構形式，將傳統的平板縱桁改為菱形舷側結構，該菱形寬2.2 m、高1.7 m，見圖5。

4)半圓管形舷側結構。在原有骨架的基礎上，在縱桁的兩端增加一個半圓管形的結構，以增加結構的塑性變形，半圓管半徑0.85 m，見圖6。

圖5 菱形舷側結構

圖6 半圓管形舷側結構

3 舷側結構碰撞仿真結果及分析

4種結構形式都是通過改變舷側縱桁來實現的，因此，舷側縱桁的塑性變形能吸收情況最受關注；由于船舶的機械設備和其它結構都在舷側內板之內，碰撞所產生的能量要向船舶的底部及甲板傳播也必然經過舷側內板，舷側內板的抗撞性能提高了說明雙層舷側的抗撞性也提高了，進而說明整艘船的耐撞性能提高了。因此，對于船舶的局部結構雙層舷側結構，舷側內板的吸能情況及最大變形量、舷側內板碰撞最近點的加速度響應是衡量該結構優劣的重要參考指標。

3.1 碰撞區結構損傷變形

內殼板的破裂會引起嚴重后果，這應該作為碰撞事故的極限狀態。因此，仿真計算至少應進行至撞頭將內殼板撞破的時刻。實際的碰撞事故中，球鼻艏可能撞擊在舷側縱桁和橫框架的交叉處，這是舷側板架結構最強的部位，這種情況下的碰撞力會很大。由于力的傳遞作用，內殼板的材料可能于船艏觸及之前已經失效(但也可能不失效，因為此交叉部位的剛度還不至于像球鼻艏那樣大)。

利用ABAQUS軟件對上述碰撞模型進行數值仿真計算，追蹤計算直到舷側內殼板被撞頭貫穿。舷側結構的損傷變形見圖7。

圖7 舷側結構損傷變形

從圖7中可以看出，結構的損傷變形主要集中在撞擊區域，這預示著船體結構抗撞能力的提高應著眼于容易遭受撞擊的薄弱區域，大范圍的結構增強措施是不必要的。從圖7還可以看出，損傷區域的形狀特征與撞擊船艏的大小和形式有很大關系，可見，船體結構耐撞性研究不能脫離撞擊船的船艏形式而孤立地進行，因為不同的撞頭形式可能導致不同的損傷變形模式，從而帶來結構破壞形式和吸能計算方法上的差異。針對大型油船這樣一個具體的舷側結構，在高能量碰撞情況下，不僅舷側外板會發生拉伸破裂，肋骨出現嚴重的面內彎曲和側向彎曲，而且在前傾船艏的撞擊下，甲板還可能發生剪切破壞和動態漸進屈曲破壞。

舷側縱桁的損傷變形包括壓潰和側向擠壓兩種模式。圖8表明，在碰撞初始階段，橫框架的變形主要表現為壓潰，這是由于它還沒有與碰撞船艏直接接觸，主要承受的是面內載荷；但隨著碰撞的繼續，碰撞船艏將觸及橫框架，在接觸力的作用下，橫框架還將發生側向擠壓變形。

圖8 舷側縱桁變形時序

3.2 碰撞力的比較

圖9為各種舷側結構的碰撞力比較，它們的共同點是，碰撞力總體上呈現強烈的非線形，在碰撞的不同階段會出現不同形式的卸載現象，這與不同構件的損傷失效模式是相對應的。在0.09 s附近碰撞力突然增加，這是由于撞頭與舷側縱桁接觸，撞頭受到了舷側縱桁的更強烈的抵抗作用。在0.35 s前4種舷側結構的碰撞力總體上一致，0.35 s后半圓管舷側縱桁的碰撞力最大，其次是帽形舷側縱桁、菱形舷側縱桁和傳統舷側縱桁，這可以說明3種舷側結構都能有效的抵抗撞頭的碰撞，其中半圓管舷側縱桁抵抗碰撞的能力最強。

圖9 碰撞力比較

3.3 4種舷側結構的塑性變形能吸收

表1為舷側內板破損前各構件的能量吸收情況。由表可見，新型舷側縱桁的變形能占總能量的百分比大于傳統舷側的縱桁。其中帽形縱桁變形能增量89.2%，菱形縱桁變形能增量84.5%，半圓管形縱桁變形能增量90.1%為最多。另一方面，3種新型雙層舷側結構的舷側內板吸能量和變形量也都有不同程度的降低，這說明碰撞能量大部分被舷側內板以外的結構吸收，只有較少的能量施加到舷側內板上，這對于減少舷側內板的變形量進而減少舷側內板的破損幾率有很大的好處，舷側內板的破損幾率降低，也就是增強了船舶在遇到碰撞時的抗撞能力和生命，這種結構正是改變結構形式所期望的。

3.4 4種結構的比吸能比較

吸能密度可以衡量一種結構的吸能能力，它是指單位體積的結構材料吸收的能量。傳統舷側結構與3種新型結構的吸能密度見表2。

表2說明：新結構的吸能能力比原結構有明顯地提高。當然本文的改進措施也有不足之處，結構的重量有所增加。

3.5 4種舷側內板的最大加速度比較

舷側內板的加速度大小也是體現結構抗撞性能的一個方面，結構舷側內板的加速度對船體內設備的生命力有很大的影響，過大的加速度可能會導致船舶上精密裝備的失靈。本文選取4種結構舷側內板碰撞區域內同一點為研究對象，比較各種結構形式的加速度。

表1 雙層舷側結構構件的能量吸收

表2 各種舷側縱桁的吸能密度

圖10和圖11分別給出了傳統雙層舷側結構的舷側內板和半圓管形舷側結構的舷側內板碰撞區域內同一點的加速度隨時間變化規律。各種結構舷側內板碰撞區域同一點的加速度見表3。各種新型的雙層舷側結構舷側內板的加速度峰值都小于傳統的舷側結構形式；半圓管形舷側結構內板的加速度最小。由此可見，雙層舷側結構中舷側縱桁和強肋骨所產生的塑性應變，在保護舷側內板的同時，也改善了船舶的沖擊環境。

4 結論

1)碰撞損傷變形具有明顯的局部性，基本上集中在碰撞接觸區域。損傷變形主要表現為塑性變形，彈性變形幾乎可以忽略。

m·s-1

2)碰撞過程中，船體結構的局部慣性可以忽略不計，撞擊船的動能損失將主要轉化為被撞船舷側結構的塑性變形能。

3)碰撞力表現出很強的非線性，結構出現多次卸載，每一次卸載代表一種構件失效。

4)雙層舷側結構的碰撞分析應以內壁板破裂作為極限條件，舷側縱桁不僅自身吸收能量，而且充分發揮了其它構件的吸能潛力，所以它大大提高了雙層舷側結構的抗撞能力。

5)和傳統的雙層舷側結構相比，通過改變雙層舷側的縱桁結構形式而建立的3種新型結構，舷側內板的變形能和變形量減少，更多的能量被舷側內板外的其它構件吸收，減少了舷側內板的變形，提高了抗撞能力，其中尤以半圓管結構形式的雙層舷側為最佳。

6)采用新型的舷側結構后雖然質量上比傳統舷側結構增加了，但是新型舷側結構的抗撞能力得到顯著提高。其中尤以半圓管形舷側結構吸能量增加最多。

[1] 胡志強,崔維成.船舶碰撞機理與耐撞性結構設計研究綜述[J].船舶力學,2005,9(2):131-142 .

[2] KITAMUIZA O, KUROIWA T, KAWAMOTO Y, KANEKO E. A study on the improved tanker structure against collision and grounding damage[C]∥Proceedings of 7th International Symposium on Practical Design of Ships and Mobile Unit. Hague, Holland, 1998: 173-179.

[3] 王自力.船舶碰撞損傷機理與結構耐撞性研究[D].上海:上海交通大學，2000.

[4] WANG Z L, GU Y N, HU Z Q. Motion lag of struck ship in collision [J]. Journal of Ship Mechanics, 2001,5(6): 41-49.

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