艦船舷側結構在碰撞作用下的損傷與防護

張 昆

(海軍駐上海江南 (造船)集團有限責任公司軍事代表室，上海 201913)

從運輸工業的發展開始，碰撞都是一個顯著的現象。碰撞過程和碰撞結果的無限可能性使該領域的研究至今都沒有停止過。2017年，美海軍“菲茨杰拉德”號驅逐艦于日本當地時間6月17日凌晨2時30分左右在日本橫須賀以南56海里附近海域與一艘在菲律賓注冊的商船ACX Crystal相撞，導致7名船員被困淹死，艦長室嚴重損毀，“菲茨杰拉德”號險些沉沒。相關部門展開了各種各樣的研究，制定海上航行規則和安全公約來避免未來此類現象繼續發生。船舶碰撞中的過程現象基本上可以分為2種:相互影響的外部動力學和內部動力學。直至今日，評估碰撞現象的方法仍在繼續發展。

1 艦船碰撞概率計算

針對船舶的碰撞事故，P.T.Pederson提出了數學模型的方法，模型指出船舶碰撞概率滿足下式:P=NaPc，其中Pc為導致意外事故發生的諸多原因事件的函數;Na為可能發生的船舶事故數目:

式中:Q為一段時間Δt內在航道內航行的航次;F為船舶碰撞概率;V甲乙為兩船航行的相對速度，m/s;D為幾何碰撞直徑，m;dA為2個交叉航道的重疊面積，m2。

其中，F滿足:

式中:Z為真實船舶航行時距航道中心的距離，m;μ為Z的主值;σ為對航道中心線的標準差;V甲為航行于航道1中的甲船的航速，m/s;V乙為航行于航道2中的乙船的航速，m/s;θ為兩航道的夾角，°;L為船長，m;B為船寬，m。

2013 年，屠艷等［1］依據 P.T.Pedersen 碰撞模型計算了船舶發生碰撞事故的概率，并比較分析了航道夾角、航道密度以及航道寬度等變量對船舶碰撞概率的影響，發現當其他參數沒有發生變化時，2個航道夾角越大，航道密度越大，航道越窄，則兩船在交叉口碰撞的概率越高。

2 艦船碰撞過程研究方法

內部沖擊力學的評估方法包括試驗法、經驗公式法、解析法和數值模擬法。它們的優勢和不足如表1所示。船體結構構件的沖擊強度分析過程如圖1所示。20年前，Amdahl等提出了擱淺和碰撞的設計程序。其中船舶碰撞的內部機理可以分為2種類型:舷側碰撞和船首碰撞。本文重點論述舷側碰撞的損傷與防護。

表1 結構沖擊分析的可行方法

圖1 船體結構構件的沖擊強度分析過程

3 艦船抗沖擊能力指標

1)能量。能量輸出經常是碰撞過程分析的一個重要部分，船體結構吸能能力越強，損傷越小，但對于燃油艙等易燃艙室的艙壁吸收能量越多越容易引燃艙內易燃物。例如，1992年，“立善號”油船在馬來西亞馬六甲海峽遭遇1艘卸完貨正準備駛出波德申港的英國散裝貨輪撞擊，撞擊所產生的熱量使船上的5.2萬t易燃易揮發的石腦油迅速引燃，并產生了大量有毒氣體。可見，在艦船抗沖擊能力評估中，應充分考慮碰撞構件的吸能能力，對于含燃油等易燃物的艙室外壁，還應考慮內能增加引起的溫度升高。

2)碰撞力。碰撞力是2個剛體的任何一方(或兩方同時)在位移的過程中，兩物體所占據的幾何空間從未接觸到相互碰撞的那個瞬間所產生的力，這個力的方向，垂直于受此力作用的剛體表面，并指向剛體的內部，其大小與剛體的動量變化量有關，動量變化量可以由碰撞前后的機械能守恒和動量守恒聯立求得。碰撞力與受力剛體本身的速度與質量有關，因此對受力剛體而言碰撞力是個非保守力。

3)應力。物體由于外因 (受力、溫度、溫度場變化等)作用而變形時，在物體內部各部分之間產生相互作用的內力，單位面積上的內力稱為應力。應力是矢量，沿截面法向的分量稱為正應力，沿切向的分量稱為切應力。在材料拉伸或壓縮過程中，當應力達到一定值時，應力有微小的增加，而應變卻急劇增長的現象，稱為屈服，使材料發生屈服時的正應力就是材料的屈服應力。在艦船抗沖擊能力評估中，根據沖擊應力是否超過材料屈服應力是判斷結構耐撞性的重要手段。

4)損傷圖。損傷圖即應力云圖或應變云圖，隨著現代計算機仿真技術的發展，有限元軟件為用戶提供了強大的可視化后處理界面，通過損傷圖，用戶可以清楚的看出碰撞過程中船體結構發生的變形和損傷，圖2為典型的船首結構與固定方板碰撞損傷圖，由圖可知船首與固定板之間發生的結構損傷變形主要發生在碰撞區域，在固定板的擠壓作用下，船首碰撞區域的材料達到屈服強度，材料失效產生變形，船體板在碰撞后，在碰撞的作用下產生凹陷，而艏部的舷側板也發生了不同程度的屈曲和變形。

圖2 典型損傷圖

4 抗沖擊能力評估關鍵技術

1)船體結構形式簡化。船舶碰撞是一個極其復雜的動態過程，若要按照船舶的實際圖紙，將所有構件都搭建，則不僅會導致工作量劇增，而且在使用有限元模型計算時，將會導致計算規模超出計算機的內外存限制，最終使得計算失敗。為了減輕工作量，并在滿足一定工程精度的前提下，在搭建船舶碰撞的數值仿真模型前，可以將撞擊船和被撞擊船分別簡化為船首結構和舷側結構，如圖3，并通過改變附加結構質量的方法調節碰撞船舶的質心和轉動慣量，使得參與碰撞的船舶噸位與實際一致且使得碰撞模型的運動能夠較為合理的符合實際情況。

圖3 結構簡化圖

2)附連水質量。艦船運動時，會帶動一部分水和其一起運動，這部分水的質量會增加撞擊船的動能，所以必須充分考慮，傳統意義上在模擬兩船相撞時，可以直接采用流固耦合模型計算，但需要花費巨大的計算時間，所以，越來越多的學者提出采用附加質量模型，在不影響計算精度的前提下，可以大大減小計算時間，提高計算效率。葉劍平等［2］分別采用增加密度和增加質量點單元質量的方法建立了兩種潛艇受撞的附加質量模型。其中，增加密度法是通過增加材料密度使得附加質量添加到艇體上，密度增加值的計算公式為:

式中:ρz為垂蕩運動的附加密度;ρ為潛艇實際材料密度;mp為質量點單元的總質量;m2為垂蕩運動附加質量;m為潛艇質量。

增加質量點單元質量法是通過增加質量點單元的質量使得附加質量添加到艇體上:

式中:mei、mi和ni分別為潛艇第i個區域內單個質量點單元的質量增加值、該區域的附加質量以及該區域內包含的質量點個數;riz為第i個區域對z軸的轉動慣性半徑;rz為流固耦合模型中潛艇對z軸的轉動慣性半徑。

通過與流固耦合模型計算結果對比、分析，采用后一種方法建立的附加質量模型與流固耦合模型的仿真計算結果比較接近，可作為潛艇受撞有限元數值仿真的計算模型。

3)材料失效準則。所謂失效是指單元不能夠繼續承受載荷，在有限元中表現為單元被刪除。目前，使用較為廣泛的斷裂失效準則是極限等效塑形應變。在有限元仿真中，怎樣選擇合理的失效應變是比較復雜的課題。吳文峰［3］認為對于船舶碰撞而言，失效應變值取0.1可滿足大多數情況，而孫濤［4］設定0.2 作為材料的失效應變值，張媛等［5］取εmax=0.3。由此可見，學者們對于等效塑形應變的取值存在較大爭議，因此成為該領域下一步研究重點。

5 結構抗沖擊性能優化

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。

近年來，學者們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，提出了多種新型縱桁形式的雙層舷側結構模型，如帽形、菱形、半圓管形等［6］。孫豐等［7］對半圓管型舷側結構進行了數值仿真計算，發現當舷側縱桁厚度為10 mm時吸收能量最多，當半圓管半徑為0.9 m時，其比吸能最大。

6 結束語

本文從“菲茨杰拉德”號驅逐艦被撞事件得到啟發，從艦船碰撞概率計算、碰撞過程研究、抗沖擊指標、抗沖擊能力評估關鍵技術、抗沖擊性能優化等方面對艦船抗沖擊領域國內外公開發表的文獻進行綜述，從而提出設計定型試驗中艦船抗沖擊能力評估的未來發展方向。

1)對于艦船碰撞概率，可用P.T.Pederson提出的數學模型進行計算。

2)在艦船抗沖擊能力仿真評估中，應使用MSC/DYTRAN、ANSYS/LS－DYNA以及 ABAQUS等通用有限元軟件進行計算。

3)艦船抗沖擊能力評價指標主要有能量、碰撞力、應力和損傷圖，在計算碰撞構件的吸能能力時，對于含燃油等易燃物的艙室外壁，還應考慮內能增加引起的溫度升高。

4)在抗沖擊能力評估中，船體結構簡化、附連水質量和材料失效準則應當以科研立項、課題申報等形式進行深入研究，對于附連水質量的施加方法，增加質量點單元質量法建立的附加質量模型與流固耦合模型的仿真計算結果更為接近;對于等效塑形應變取值，在學者們存在爭議的現狀下，建議暫時按國際船舶結構會議的建議取0.1～0.2。

5)基于艦船抗沖擊性能，應當對船體結構形式進行優化，新型縱桁形式的雙層舷側結構模型有帽形、菱形、半圓管形等。