艦艏結(jié)構(gòu)的碰撞損傷性能研究

蔣謙，彭啟高，林代華

（四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610000）

在船舶航行的過程當(dāng)中，一旦發(fā)生船舶碰撞，必然會對整體的船體結(jié)構(gòu)造成較大損傷，并對船上人員的生命安全帶來較大的安全隱患。現(xiàn)階段船舶的碰撞問題已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，在船舶碰撞過程中被撞擊船的損傷程度主要由于2個因素構(gòu)成，一是船舷結(jié)構(gòu)的碰撞性能，二是艦艏結(jié)構(gòu)的碰撞性能。筆者對艦艏結(jié)構(gòu)的碰撞損傷性能進(jìn)行必要的分析與研究。

1 研究假定與艦艏模型描述

在傳統(tǒng)的船舶碰撞力學(xué)性能研究過程當(dāng)中，往往是將艦艏結(jié)構(gòu)假定為一種完全剛度的物體，這種方式雖然能在一定程度上提升艦艏結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性能，但是由于過于保守，在經(jīng)濟(jì)性方面也存在著較大的問題。同時在實際過程當(dāng)中也并不存在完全剛性的物體，艦艏結(jié)構(gòu)必然也會發(fā)生變形，同時吸收能量，自身也會被碰撞損害。基于此種情況，本文假定艦艏結(jié)構(gòu)并不是完全剛性體，采用非線性有限元方式對艦艏結(jié)構(gòu)的碰撞與損傷性能進(jìn)行研究與分析，同時為了簡化計算，將艦艏結(jié)構(gòu)的撞擊物定義為完全剛性。在本文的研究當(dāng)中，選擇某種大型船只的艦艏結(jié)構(gòu)作為研究對象，采用ANSYS軟件作為有限元分析軟件。

2 計算過程

2.1 艦艏結(jié)構(gòu)的運動過程分析

假定該船只在航行的過程當(dāng)中以8m/s的速度撞向一個完全剛性的物體，根據(jù)模型計算的結(jié)果，可以得到在撞擊過程當(dāng)中艦艏結(jié)構(gòu)的位移圖，見圖1。從圖1可見，在剛開始碰撞之后的0．4s內(nèi)，艦艏結(jié)構(gòu)的速度并沒有出現(xiàn)較大的變化，但是在0．4s后艦艏結(jié)構(gòu)的速度則出現(xiàn)了明顯的下降，這主要是由于艦艏結(jié)構(gòu)的塑性變形時間共計需要0．4s左右，在這個過程當(dāng)中由于塑性變形也將艦艏結(jié)構(gòu)本身具有的動能轉(zhuǎn)化掉，最終導(dǎo)致艦艏結(jié)構(gòu)的速度開始下降。

圖1 艦艏結(jié)構(gòu)碰撞位移圖

2.2 艦艏結(jié)構(gòu)變形分析

從圖1可見，在0．7s后艦艏結(jié)構(gòu)的位移已經(jīng)相對較小。根據(jù)ANSYS的分析結(jié)果，在0．7s后艦艏結(jié)構(gòu)的速度降低為3．5m/s左右，初始動能大幅度降低，同時可以發(fā)現(xiàn)艦艏結(jié)構(gòu)的位移為4．1m，也即艦艏結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的變形量約為4．1m。

2.3 艦艏結(jié)構(gòu)的損傷分析

筆者還利用了ANSYS軟件對艦艏結(jié)構(gòu)的損傷情況進(jìn)行了分析與研究，結(jié)果顯示在碰撞過程中,艦艏結(jié)構(gòu)的不同位置所發(fā)生的損傷情況并非完全一致。由于艦艏結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的自上而下逐漸縮短的情況，在實際碰撞時艦艏結(jié)構(gòu)的上部位置最先碰撞，同時所受到的撞擊力也最大。因此，在艦艏結(jié)構(gòu)的碰撞過程當(dāng)中最上層甲板位置最先出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，如圖2所示，為艦艏結(jié)構(gòu)與剛性結(jié)構(gòu)碰撞之后的變形圖，從圖中可見，最上層位置的甲板已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的屈服變形，同時甲板也出現(xiàn)了明顯的上擠現(xiàn)象。

分析艦艏結(jié)構(gòu)的下部位置可以發(fā)現(xiàn)，在下部位置由于碰撞發(fā)生的時間相對滯后，大部分動能都已經(jīng)被上部位置所吸收，因此，在實際碰撞過程時下部位置并沒有出現(xiàn)較為明顯地塑性變形，從圖2也可以進(jìn)一步得到這個結(jié)論。因此，我們假定在最初的碰撞速度之下，由于艦艏結(jié)構(gòu)的整體剛度相對較高，因此，可以假定變形僅僅發(fā)生在主要碰撞部位，而其它地區(qū)的變形則主要是以彈性變形為主。

圖2 艦艏結(jié)構(gòu)變形分析結(jié)果

2.4 碰撞力與能量吸收分析

根據(jù)軟件計算結(jié)果所得到的碰撞過程中碰撞力與位移之間的散點圖，見圖3。從圖3中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，碰撞力與位移之間存在較為明顯的非線性關(guān)系。筆者對此進(jìn)行了必要的分析與研究，認(rèn)為導(dǎo)致這一原因的主要因素在于艦艏結(jié)構(gòu)的整體剛度相對較高，在撞擊時出現(xiàn)了多次卸載情況。但是從整個碰撞過程來看，整體碰撞力最終呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢，這主要是由于在碰撞過程當(dāng)中隨著艦艏結(jié)構(gòu)參與碰撞的部位的增加，變形力得到了進(jìn)一步提升，從而使得整體碰撞力增加。

圖3 艦艏結(jié)構(gòu)碰撞力位移圖

根據(jù)ANSYS的分析結(jié)果，艦艏結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件所吸收的能量并非完全相同，其中超過70%的能量均被外板與甲板所吸收，因此，在進(jìn)行艦艏結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須要加強(qiáng)外板與甲板的耗能設(shè)計。

3 結(jié)語

艦艏結(jié)構(gòu)的碰撞損傷性能會對船舶的碰撞結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，從而影響到整體船員的安全性。據(jù)此，筆者利用ANSYS對艦艏結(jié)構(gòu)的碰撞損傷性能進(jìn)行了分析與研究。

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