船舶首部結構入水砰擊過程研究

謝仁杰，董能超，王 珂

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

船舶首部結構入水砰擊過程研究

謝仁杰，董能超，王 珂

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

對剛性船舶首部結構砰擊過程進行仿真研究，分析砰擊過程中的液面變化，以及船舶首部結構砰擊壓力與入水速度、結構曲率的關系。研究彈塑性首部結構入水砰擊問題。針對彈塑性首部結構入水砰擊過程中各個構件上的應力、變形、吸能等參數進行動態響應分析，對優化船舶首部結構形式和保證結構安全性具有十分重要的研究意義。

艏部結構；砰擊壓力；動態響應

0 引 言

砰擊載荷作用下的結構安全性問題在民用和軍事領域都有諸多應用背景，如船舶在波浪中航行[1]、空投魚雷入水、海上救生艇拋落及水上飛機降落著水等都屬于這類問題。船舶在波浪中航行時[2]，由于船體和波浪之間的劇烈相對運動，不可避免地會出現砰擊現象。砰擊現象發生最嚴重的區域是在與波浪發生直接沖撞的船首和船尾部，嚴重時會引起上述局部結構屈曲變形，目前對于實船結構入水砰擊問題進行的研究還不是特別成熟。

王珂[3]利用 MSC.Dytran 軟件對 LNG 船的首部結構入水砰擊過程進行了研究，探究了結構曲率變化和入水速度變化對砰擊壓力的影響。楊衡[4]基于雙漸進法對砰擊過程中的彈性效應進行了數值模擬，研究了流固耦合對彈性結構動態響應的影響。

本文采用直接計算流固耦合的方法研究船舶首尾結構入水砰擊響應問題，首先，研究剛性首部結構不同速度下入水砰擊過程；其次，對彈塑性首部結構入水砰擊問題進行數值模擬研究，分析首部各個構件的動態響應過程，對于優化船舶首部結構形式和保證結構安全性具有十分重要的研究意義。

1 有限元模型

本文研究的船舶首部結構入水砰擊過程是以整個首部結構為研究目標，結構包括水密橫艙壁、水平桁、船底縱桁、舷側外板、各層甲板及甲板橫梁等構件。首部結構外底板厚度為 13 mm，肋板厚度為 13 mm、高度為 1 200 mm，肋板上的加強筋為 100 × 12 mm 的扁鋼，中內龍骨厚度為 14 mm，高度為 1 200 mm。在數值計算中，各層甲板、舷側外板、橫艙壁、船底龍骨、甲板及橫梁均采用板單元，艙壁上加強筋采用梁單元。首部結構有限元模型如圖 1所示。

圖 2 為首部結構砰擊有限元計算模型。歐拉區域分為 2 個部分：上部分歐拉區域為空氣介質，采用可壓縮理想氣體本構關系的材料填充這些單元；下面的區域為水介質，水域內的壓力用多項式狀態方程描述。三維流固耦合計算時間較長，因此本文在模擬三維模型入水砰擊過程時，流場單位取模型尺寸的 2～3倍，在邊界上施加無反射邊界條件，從而模擬無限水域情況。

2 剛性首部結構入水砰擊研究

本節研究在砰擊載荷作用下，剛性首部結構入水砰擊壓力沿流場和曲率變化規律，計算時剛性結構恒速入水速度Ve分別為 5 m/s，10 m/s，15 m/s 和20 m/s。

2.1 液面變化

首部結構入水過程中，水域液面受到結構的擠壓作用發生變形，入水砰擊初始時刻，結構和水面之間的空氣層隨著結構被壓入水中，空氣墊的存在在結構和液面之間起到了緩沖作用，增加了砰擊壓力的作用時間，在沖量相同的情況下有利于減小砰擊壓力的大小。黃震球等[5]在研究如何減小船體底部砰擊問題時，通過在平底結構模型兩側設置翼緣的方法來增加平底與液面之間空氣層的厚度，從而減小結構上砰擊壓力峰值的作用。圖 3 為剛性首部結構 15 m/s 入水過程中液面的變化情況。

2.2 曲率對砰擊壓力峰值的影響

Chuang[8]在二維結構入水砰擊理論和試驗研究的基礎上對具有縱向傾角的船體結構入水砰擊進行了計算，通過計算船體表面法相速度的波面法向分量確定有效砰擊角。本節對三維首部結構在 4 種砰擊速度下縱向和橫向砰擊壓力分布進行了比較研究。

圖 4 和圖 5 為中縱剖面和 2 個橫剖面上不同節點在 4 種砰擊入水速度下砰擊壓力峰值。由圖可以得到，當結構入水速度的增大時，結構上各個節點的砰擊壓力峰值增加；縱向沒有曲率變化的前 5 個節點，砰擊壓力峰值要明顯大于曲率變化明顯處的節點；隨著縱向曲率的增加，砰擊壓力峰值呈降低趨勢，最后趨于平穩。對于 2 個典型橫剖面位置，曲率變化不大的位置砰擊壓力峰值幾乎相同，隨著橫向曲率的增加，變化趨勢與縱向相一致，即砰擊壓力峰值降低，趨于平穩。因此，在研究三維結構入水砰擊過程時，要考慮到縱向和橫向曲率對砰擊壓力峰值的影響。

3 彈塑性首部結構入水砰擊過程研究

船體首部是發生入水砰擊概率較高的區域，對于一些具有球鼻首的船舶，準確地確定砰擊載荷對于設計出更加合理的結構形式和保證首部結構完全性具有十分重要的研究意義。在對船舶剛性首部結構入水砰擊過程研究的基礎上，本節開展了彈塑性船舶首部結構入水砰擊過程的數值模擬研究。對彈塑性首部結構入水砰擊過程中各個構件上的應力、變形、吸能等參數進行研究。

3.1 首部結構砰擊壓力

圖 6 為中縱剖面上不同節點在 2 種砰擊入水速度10 m/s 和 15 m/s 下各點的砰擊壓力峰值。由圖可以得到，隨著結構入水速度的增加，彈塑性首部結構上各節點砰擊壓力峰值增加；縱向沒有曲率變化的前 2 個點，砰擊壓力峰值要明顯大于曲率變化明顯位置的砰擊壓力峰值；隨著縱向曲率的增加，砰擊壓力峰值呈降低趨勢，最后趨于平穩。

圖 7 為 2 個典型橫剖面位置砰擊壓力峰值沿橫向變化曲線圖，曲率變化不大的位置砰擊壓力峰值幾乎相同，隨著橫向曲率的增加，變化趨勢與縱向相一致，即砰擊壓力峰值降低，趨于平穩。因此，在研究首部三維結構入水砰擊過程時，要考慮到縱向和橫向曲率對砰擊壓力峰值的影響。

3.2 首部結構應力研究

圖 8 為各層甲板和平臺入水砰擊過程中應力最大位置時間歷程曲線。由圖可以看到，甲板和 3 層平臺中最大應力出現在 2 500 平臺上，這是由于 2 500 平臺是直接參與結構砰擊的主要構件。

圖 9 為 4 道橫艙壁應力隨時間變化曲線，由于 4個艙壁結構的最大應力值相差不大，說明除了船體外板外，4 道橫艙壁是船舶首部主要抗砰擊結構。

3.3 首部結構吸能研究

圖 10 為船舶首部結構在入水砰擊過程中各個結構的吸能曲線圖。在圖 10 中，橫向結構包括所有的橫艙壁和肋板結構，加強筋為所有艙壁、肋板、甲板和平臺上面的加強構件。由圖 10（a） 可得在船舶首部結構入水砰擊過程中橫向構件吸收能量最多，加強筋次之，中內龍骨最少。這是由于該船舶設計時只采用了一道中內龍骨，因此中內龍骨吸收能量最少；根據前面各個橫向構件應力分析相同，橫向構件在抗砰擊過程中起到重要的作用，因此吸收的能量最多。

圖 10（b） 中為船體外板、甲板和各個平臺吸收能量曲線。由圖可得，船舶首部結構中外板吸收能量最多，這與實際情況相符，即外板是參與結構砰擊過程的主要構件；隨著平臺高度的增加，各個結構的吸能降低趨勢，上甲板吸收能量最低。

4 結 語

三維結構的入水是一個復雜的問題，在理論上還只能夠對一些規則的三維結構進行描述。本章采用數值仿真計算對復雜形狀的三維船舶首部入水砰擊問題進行了研究，并探討了船舶首部結構入水砰擊壓力和結構動態響應等問題，得到以下結論：

1） 由于船舶首部結構的特點，船體首部結構附近流場的流動具有明顯的三維特性，除了在橫剖面流動外，沿船體縱向的變化也不能忽略。首部結構橫向和縱向的曲率對結構上的砰擊壓力峰值具有較大的影響，這主要是由于曲率的不同使得流場在曲率上的流動差異造成的。因此，在分析三維結構入水砰擊時除了要考慮入水砰擊速度不同之外，還要考慮結構曲率對砰擊壓力峰值的影響。

2） 船舶首部是承受砰擊壓力的主要區域，因此研究彈塑性首部結構入水砰擊問題對設計合理的結構形式具有重要的指導意義。本文對彈塑性三維船舶首部結構入水砰擊問題進行了數值模擬研究，發現首部結構曲率對彈塑性砰擊壓力峰值具有明顯影響，結構上砰擊壓力峰值隨著縱向曲率和橫向曲率的增加呈降低趨勢；首部結構應力隨著結構高度的增加近似呈降低趨勢；在首部結構入水砰擊過程中，橫向結構和船體外板吸收較多能量，這主要是由于這 2 個結構是首部抗砰擊的主要構件，并隨著首部高度的增加各個平臺結構的吸能呈降低趨勢。

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Study of the slamming process of ship's bow structure

XIE Ren-jie, DONG Neng-chao, WANG Ke
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Based on the method of numerical simulation, the slamming process of rigid ship's bow structure is studied.The change of liquid level and the effects of velocity and curvature on the slamming pressure are studied.The dynamic response such as stress, deformation, and energy absorption of elastic bow structure is studied, and it has very important significance to optimize the ship's bow structure and verify the safety.

bow structure；slamming pressure；dynamic response

U661.7

：A

1672-7619(2017)01-0021-05doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.005

2016-06-01；

: 2016-07-08

謝仁杰(1993-)，男，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋結構物設計制造。