夾層板改善單舷側散貨船耐撞性能的數值模擬分析

李 慧,張 磊,甘浪雄,鄭元洲,趙曉博

(武漢理工大學 a.航運學院;b.內河航運技術湖北省重點實驗室, 武漢 430063)

夾層板改善單舷側散貨船耐撞性能的數值模擬分析

李 慧,張 磊,甘浪雄,鄭元洲,趙曉博

(武漢理工大學 a.航運學院;b.內河航運技術湖北省重點實驗室, 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)以提高舷側結構的能量吸收能力。利用有限元仿真軟件MSC/Dytran對改進的夾層板舷側結構及常規舷側結構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行對比分析。數值仿真結果表明，改進的夾層板結構顯著提高了舷側結構的耐撞能力，是一種先進的船舶防護結構形式，且圓管式夾層板結構最理想，上蒙皮為其主要吸能構件。

防撞性；船舶碰撞；夾層板；結構優化

船舶碰撞是短時間內在巨大碰撞載荷下復雜的非線性動態響應過程，往往會造成船舶的內外部構件的形變或破裂,以及貨物損失、人員傷亡、環境污染等嚴重后果。當船舶碰撞事故無法避免時，減少船舶碰撞損失有兩種方法：一是改變影響結構破損程度的條件，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，比如對船舶結構尺寸進行優化或者設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構的耐撞性能是本文研究的重點。優化傳統結構是提高結構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，提高結構耐撞性能的主要途徑在于設計新型高效的吸能結構[2]。

目前，為提高船體結構的耐撞性能，國內外學者先后提出不同種類的船舶耐撞結構。王自力等[3]通過對常規舷側結構碰撞性能的研究，提出了內充泡沫塑料形式的薄壁方管單殼舷側耐撞結構，該結構具有良好的吸能特性；姜金輝等[4]基于先進的IFP(Improve Frame Panel)舷側骨架結構，構建了一種可以顯著提高船體的側向抗撞能力的新式單殼舷側耐撞結構；Kim和Lee[5]提出了兩種新型的雙殼結構以改善VLCC船舶舷側的耐撞性能；Brown等[6]通過增加水平桁材數目、肋板數目和改變尺寸等方案來提高船側的耐撞性。通過對常規舷側結構進行改良優化，設計出新型的耐撞結構，從而達到改善船舶耐撞性能的目的。

本文主要從夾層板結構方面考慮，研究表明，夾層板結構通常由上下蒙皮及夾層結構組成，具有比強高、絕緣性能好、噪聲低、功能設計多樣化等優勢，形式多樣且應用廣泛[7]。本文通過在單層舷側增加填充式夾層結構來研究船體舷側結構的耐撞性能。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構形式;利用非線性有限元軟件MSC. Dytran對3種特殊夾層板單殼結構的吸能特性、損傷變形等進行了數值仿真分析，并與常規單殼舷側結構進行比較分析。

1 單殼船舷側夾層板結構設計

在確保船側外板不變的情況下，在單層船殼外板內側增加一層夾層，夾層厚度與原有結構骨材(縱骨或肋骨)沿船寬方向的長度相當。

針對舷側夾層板結構設計，本文以7萬t級散貨船船中艙段為研究對象，設計3種船側填充式夾層結構：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種設計形式見圖1。

圖1 船側填充式夾層結構示意

通過對普通單殼船側結構增加夾層來驗證夾層板對增強船側結構強度的作用，同時通過對比分析3種填充結構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計。考慮到填充結構增加了船舶質量，對比3種設計方案，計算每種設計方案單位質量的防撞性能增加量，確定最優的夾層板結構方案。

2 夾層板結構有限元模型

2.1 船舶參數

船舶碰撞事故中船艏對船中垂直碰撞是最為危險的情形，實際碰撞中，碰撞區多集中在船舶內底板至主甲板間的水線面附近結構。為了研究不同舷側結構的耐撞性能，本研究將兩船的碰撞位置設置在舷側結構優化處。碰撞船及被撞船的參數見表1。

表1 碰撞船舶參數

2.2 模型參數

被撞船常規艙段結構質量為795 440 kg，試驗中圓管式夾層板結構艙段的質量為831 276 kg，蜂窩式夾層板結構艙段的質量為825 868 kg，折疊式夾層板結構艙段的質量為826 673 kg。艙段長26.88 m，寬32.2 m，高18.6 m。夾層板結構由上、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。改進后的船側結構有限元模型見圖2。

圖2 常規舷側結構有限元模型

圖3 改進后舷側結構有限元模型

本研究主要探討的是夾層板結構對于舷側結構防撞性能的影響。試驗中，采用船體艙段代替整船模型，考慮到船舶質量及慣性矩對于計算結果的影響，有必要對船舶質量進行分配，確保艙段模型的質心及慣性矩與整船一致。由于船舶碰撞具有局部效應，遠離碰撞區的結構形變很小，因此，遠離碰撞區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量分配在等效梁上。常規舷側船舶質量為M0，其中船舶局部艙段的質量為m1，等效梁的質量為m2，即M0=m1+m2。

試驗假定碰撞船船艏為剛體，被撞船舷側結構為變形體，有限元模型均為四節點或三節點殼單元。為簡化分析過程，被撞船處于靜止狀態，碰撞船艏與被撞船側發生垂直碰撞(碰撞角90°)。本試驗模擬碰撞船艏在15 kn(7.8 m/s)速度下對被撞船船側結構的碰撞，碰撞中被撞船船長、型深方向被約束，可沿船寬方向運動，碰撞船舶僅有水平面內的平動，碰撞船舶間的接觸為自適應主從接觸。

碰撞過程中，船體周圍的流體以附加水質量考慮，附加水質量施加到舷側非碰撞區一側[9]，如圖4所示。附加水質量為ΔM0，根據經驗公式，附加水質量系數為0.4[10]。因船側結構增加了填充夾層，船舶質量增加，增加的質量記為Δm。因此試驗中，具有夾層板的被撞船總質量M=M0+Δm+ΔM0。其中ΔM0=0.4(M0+Δm)。

圖4 附加水質量附加區域

船體質量通過調整艙段及等效梁的密度實現。各舷側結構的密度見表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，屈服應力26 MPa，材料最大塑性應變取0.7[11]。

表2 各舷側結構密度 kg/m3

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

(1)

3 仿真結果分析

利用非線性有限元動態響應分析程序MSC/Dytran，采用拉格朗日求解器，顯式積分法進行計算，計算時無須進行矩陣求逆，只需求解關于每個自由度的獨立一元一次代數方程，使得計算效率大大提高。為了提高計算精度，經過多次試驗，有限元網絡長寬劃分基本相等，平均取0.8 m，碰撞船舶間從面網絡比主面網絡細，且被撞船舷側碰撞區網絡較其他區域更密集。

利用MSC/Dytran對新式填充式舷側結構碰撞模型進行數值仿真，并與常規舷側結構進行對比，設定碰撞時間0.8 s，碰撞位置位于艙段舷側中部的結構優化區域。碰撞船初始速度15 kn，兩船初始距離為0.175 m。

3.1 結構受損情況分析

圖5為常規舷側結構及3種夾層板結構的損傷變形云圖。從圖中可以看出，舷側結構的損傷變形基本集中于碰撞接觸區域，即結構優化區域，且損傷變形區域基本對稱。碰撞力的每一次卸載都代表了某種構件的失效或破壞，達到應變失效準則的單元將自動隱去，即失效單元從網絡中被去除，從而在舷側形成空洞。通過對仿真試驗的進一步觀察可以得出，被撞船舷側結構碰撞區主要發生拉伸和撕裂，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 結構損傷變形

與常規結構相比，3種夾層板結構的損傷變形范圍擴大，意味著有更多的結構參與了變形吸能，從而增加了舷側結構的吸能能力，緩解了破損程度。

通過觀察仿真應力時序圖發現，常規式舷側結構外板在0.25 s時破裂；蜂窩式填充結構外板在0.37 s時破裂；圓管式填充結構外板在0.44 s時破裂；折疊式填充結構外板在0.35 s時破裂。因此，夾層板舷側結構與常規結構相比，明顯推遲了舷側外板的破裂，其中圓管式舷側結構效果最明顯。

3.2 能量吸收分析

通過對比分析，3種夾層板結構均明顯增強了舷側結構的能量吸收能力,見圖6。主要原因是在船舶碰撞過程中，夾層板結構增加了參與吸能的構件數。對單殼船舶來說，其極限狀態是舷側外板破裂。仿真結果顯示，常規式舷側結構外板在0.25 s時破裂(a點)，此時舷側吸能為35 177 kJ；蜂窩式填充結構外板在0.37 s時破裂(b點)，此時舷側吸能為102 827 kJ；圓管式填充結構外板在0.44 s時破裂(c點)，此時舷側吸能為136 825 kJ；折疊式填充結構外板在0.35 s時破裂(d點)，此時舷側吸能為107 734 kJ。3種夾層板結構的能量吸收較常規式結構顯著增加。單純就外板破裂時的極限吸能而言，圓管式填充結構在增強船側結構防撞性能上效果最好。通過進一步仿真計算，常規式舷側結構在撞深至1.73 m時舷側外板破裂；蜂窩式舷側結構在撞深至2.38 m時舷側外板破裂；圓管式舷側結構在撞深至2.88 m時舷側外板破裂；折疊式舷側結構在撞深至2.30 m時舷側外板破裂。因此，夾層板舷側結構與常規結構相比，明顯延緩了舷側外板的破裂，其中圓管式舷側結構最為理想。

圖6 能量吸收曲線

由于夾層板結構增加了船體質量，單純依據舷側外板破裂時的撞深和能量吸收尚不足以確定3種改進舷側結構抗撞性能的優劣。因此，采用耐撞性指標進行進一步的分析。耐撞性指標是指在某一極限狀態下，單位結構重量所吸收的能量大小，又稱為比能[13]。相對指標是對于耐撞性指標而言的。將常規式舷側結構的耐撞性指標結果設為基數100，其他3種結構以相同的倍數換算成相對指標，以更為直觀和清晰的表示其大小。

表3采用耐撞性指標對3種夾層板舷側結構和常規舷側結構進行了比較，并衡量了質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 多種結構耐撞性能對比

由表3可見，3種夾層板舷側結構的耐撞性指標較常規舷側結構增加明顯。以外板破裂時作為臨界條件，蜂窩式舷側結構的耐撞性指標提高了182%，圓管式舷側結構的耐撞性指標提高了272%，折疊式舷側結構的耐撞性指標提高了195%。比較重量增量和吸能增量可以看出，3種夾層板舷側結構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結構重量而言的，若考慮全船質量，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種夾層板結構的撞深，能量吸收能力以及耐撞性指標，得出圓管式夾層板舷側結構最為理想。

圖7表示圓管式夾層板舷側各構件吸收的變形能隨時間的變化曲線，顯示了被撞船碰撞區一側的上蒙皮、下蒙皮和夾層結構的吸能情況。從圖中可以看出，上蒙皮為主要吸能構件，下蒙皮次之。由于碰撞的位置發生在舷側結構優化區域，且隨著碰撞的發生，參與變形的外板范圍不斷擴大，因此上蒙皮吸收了較多的能量，逐漸成為主要的吸能構件。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；而隨著撞深的進一步增加，下蒙皮和夾層吸能減緩。從仿真數據分析可得，在3個構件中，上蒙皮吸能占了總吸收變形能的51%，為最主要的吸能構件。

圖7 各構件能量吸收

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，在工程上應用廣泛。本文采用德國勞氏船舶入級與建造規范中的極限速度計算公式[14]，計算4種舷側結構的極限撞擊速度，從而確定等級最高的舷側結構。

(2)

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

m2——被撞船的質量，包括40%的附加水質量，t；

Vcr——極限撞擊速度。計算結果見表4。

表4 極限撞擊速度比較

由表4可見，3種夾層板結構的極限撞擊速度均高于常規舷側結構，說明夾層板結構提高了舷側結構的耐撞性等級。其中，圓管式舷側結構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，圓管式夾層板舷側結構最為理想。

4 結論

1)船舶碰撞損傷具有明顯的局部性，在碰撞區域結構受損較大，遠離碰撞區的結構幾乎沒有損傷。

2)夾層板舷側結構明顯延緩了舷側外板的破裂，改善了舷側的損傷變形，明顯加強了舷側結構的能量吸收能力，其耐撞性指標顯著提高，且耐撞性等級也有所增加。綜合分析得出，圓管式夾層板舷側結構最為理想。

3)通過比較圓管式夾層板舷側各構件吸能的情況，得出上蒙皮為主要的吸能構件。

4)雖然采用夾層板后船體質量會有所增加，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)夾層板結構增加了船舶的防撞性能，可以為船舶設計提供參考。在船體結構的易損區進行結構改良，在不影響船舶總縱強度的前提下，可以添加必要的夾層板結構來增強船舶的防撞性能。

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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

武漢理工大學自主創新研究基金項目(2015-zy-108)； 湖北省自然科學基金項目(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

E-mail: 496465818@qq.com