基于流固耦合法的巡邏船首部結(jié)構(gòu)耐撞性能研究

羅凱，王凡超，何秦

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引 言

船舶碰撞具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、持續(xù)時(shí)間短、沖擊載荷大、損傷區(qū)域嚴(yán)重等特點(diǎn)。Tabri[1]對(duì)耦合和非耦合數(shù)值方法進(jìn)行了比較，以研究船舶運(yùn)動(dòng)與船舶耐撞性之間的耦合影響。Pedersen和Zhang[2]的分析方法被用于非耦合模擬的碰撞能量，而耦合模擬提出了相應(yīng)的數(shù)值定義。首先介紹非耦合和耦合方法，之后使用4200TEU集裝箱船進(jìn)行“垂直”碰撞的案例研究，以描述用于預(yù)測(cè)撞擊結(jié)構(gòu)的變形和破裂的2種方法之間的差異。張志強(qiáng)等[3]針對(duì)典型的船體雙層殼結(jié)構(gòu)，研究失效準(zhǔn)則對(duì)碰撞仿真分析結(jié)果的影響。本文主要利用有限元軟件建立碰撞模型，利用非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析軟件MSC-Dytran求解分析，基于流固耦合法研究巡邏船首部結(jié)構(gòu)耐撞性能。將撞擊船與被撞船置于水介質(zhì)中，可以更加準(zhǔn)確地模擬船舶碰撞的真實(shí)場(chǎng)景，為更加準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)不同碰撞角度、不同碰撞速度下的被撞船結(jié)構(gòu)響應(yīng)奠定基礎(chǔ)。

1 600噸級(jí)巡邏船基本情況介紹

600噸級(jí)巡邏船主要參數(shù)包括：總長約70 m，滿載排水量640 t，首部區(qū)域外板骨材間距300 mm。該船基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖 1 600噸級(jí)巡邏船局部結(jié)構(gòu)圖Fig. 1The Local structural diagram of 600 ton class patrol vessel

2 有限元模型設(shè)置

被撞船模型范圍：被撞船取全船有限元模型，其中目標(biāo)撞擊區(qū)域船首向后延伸至橫艙壁且不小于0.33倍船長的縱向范圍、內(nèi)外舷板之間的橫向范圍、型深的垂向范圍內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的真實(shí)模擬[4]。撞擊船模型范圍：撞擊船取全船有限元模型，其中首防撞艙壁向船首的縱向范圍、船寬的橫向范圍、型深的垂向范圍內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的真實(shí)模擬[5]。材料采用線性強(qiáng)化彈塑性模型，考慮材料應(yīng)變率敏感性，有關(guān)數(shù)據(jù)如下：材料密度7.85×103kg/m3；彈性模量2.10×1011N/m2；屈服應(yīng)力3.45×108N/m2；泊松比0.3；最大塑性失效應(yīng)變0.19[6]；Cowper—Symonds本構(gòu)方程中2個(gè)常數(shù)為D=40.4，q=5。撞擊區(qū)域的網(wǎng)格尺寸和單元失效應(yīng)變按照100 mm來選取[7]，其他區(qū)域的網(wǎng)格尺寸可適當(dāng)加大。碰撞過程中使用了主—從接觸（Master-slave contact）和自身接觸（Self-contact）[8]。在計(jì)算中考慮撞擊船與被撞船之間的摩擦作用，動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)均定義為0.3。邊界條件考慮撞擊船和被撞船均處于全自由狀態(tài)。撞擊船，由于其在垂直對(duì)中碰撞運(yùn)動(dòng)中主要是縱移（Surge），船體周圍水的影響相對(duì)很小，所以直接采用附連水質(zhì)量來加以處理。被撞船考慮周圍水域影響，流場(chǎng)沿被撞船的寬度方向取2倍船寬，船長方向取1.5 倍船長，高度方向取2倍吃水[9]。

考慮流固耦合時(shí)，通過改變碰撞速度和碰撞角度確定撞擊船與被撞船之間的碰撞工況。

工況1：巡邏船3 m/s速度以20°斜向撞擊被撞船的首部區(qū)域；

工況2：巡邏船5 m/s速度以20°斜向撞擊被撞船的首部區(qū)域（見圖2（a））；

工況3：巡邏船3 m/s速度以60°斜向撞擊被撞船的首部區(qū)域；

工況4：巡邏船5 m/s速度以60°斜向撞擊被撞船的首部區(qū)域（見圖2（b））；

工況5：巡邏船3 m/s速度以90°正向撞擊被撞船的首部區(qū)域；

工況6：巡邏船5 m/s速度以90°正向撞擊被撞船的首部區(qū)域（見圖2（c））。

圖 2 基于流固耦合法不同撞擊角度下的的有限元模型Fig. 2Finite element model under different impact angles based on fluid-structure coupling method

3 基于流固耦合法下的船舶碰撞性能

3.1 被撞船的應(yīng)力與損傷變形

圖3反映基于流固耦合法通過改變碰撞角度和碰撞速度得到碰撞后被撞船首部區(qū)域的損傷變形圖。可以看出：1）直接發(fā)生碰撞的局部區(qū)域在撞擊瞬間超出許用應(yīng)力，但瞬態(tài)應(yīng)力不作為船舶破損的依據(jù)；2）結(jié)構(gòu)的損傷變形基本上集中在撞擊區(qū)域，碰撞損傷具有局部性。在撞擊船的直接撞擊下，被撞船的船體外板、甲板、橫艙壁、舷側(cè)縱骨和舷側(cè)肋骨等都發(fā)生了一定程度的變形，3）當(dāng)600噸級(jí)船以20°斜向撞擊時(shí)，不管是3 m/s還是5 m/s，被撞船的舷側(cè)外板和內(nèi)部結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)破損情況；當(dāng)600噸級(jí)船以60°和90°撞擊時(shí)，以3 m/s撞擊被撞船時(shí)，其舷側(cè)外板和內(nèi)部結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)破損情況，而以5 m/s撞擊被撞船時(shí)，其舷側(cè)外板和內(nèi)部結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)破損情況。從圖3還可以看出：舷側(cè)外板發(fā)生破損后內(nèi)部構(gòu)件的碰撞能力較差，而撞深繼續(xù)增加時(shí)與其相鄰的強(qiáng)肋骨發(fā)生破損變形。當(dāng)被撞船受到5 m/s垂直撞擊時(shí)，被撞船的損傷范圍最大為0.34 m2，破損出現(xiàn)在舷側(cè)外板、強(qiáng)肋骨、舷側(cè)縱骨等主要結(jié)構(gòu)上，其他構(gòu)件發(fā)生變形而未破損（見表1）。就損傷模式而言，采用流固耦合法不僅可以對(duì)船舶碰撞的整個(gè)過程進(jìn)行真實(shí)有效的仿真，而且能夠獲得被撞船的碰撞力、能量轉(zhuǎn)換和吸收的時(shí)序結(jié)果，并對(duì)各具體構(gòu)件的損傷變形過程進(jìn)行跟蹤分析。仿真計(jì)算的成功實(shí)現(xiàn)證明了該方法的可行性，但這也是一個(gè)最復(fù)雜的方法，建模工作量大，計(jì)算CPU時(shí)間長。

圖 3 被撞船首部應(yīng)力分布與損傷變形云圖Fig. 3Stress distribution and damage deformation cloud of the head of the collided ship

表 1 被撞船變形或破損情況Tab. 1Deformation or damage circumstance of collided ship

3.2 被撞船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

圖4 顯示的是被撞船舶的運(yùn)動(dòng)情況，可以看出：1）撞擊角度越大，被撞船的速度變化曲線越大；2）碰撞過程中，大角度撞擊時(shí)被撞船一般以橫移為主，小角度撞擊時(shí)3個(gè)方向的速度變化很小。從圖中還可以看出，計(jì)算終止時(shí)撞擊船的速度減小，這意味著撞擊船將有動(dòng)能損失；而被撞船的速度有所增加，這表明碰撞開始后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)被撞船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)才有所體現(xiàn)，即被撞船也吸收了部分動(dòng)能。這種情況給出了一個(gè)很有意義的信息，即船舶碰撞過程中撞擊船的動(dòng)能損失將主要轉(zhuǎn)化為被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的塑性變形能。當(dāng)撞擊船的撞擊角度較小時(shí)，兩船速度變化不大，能量吸收也較小，速度在橫向和縱向的變化也不明顯。當(dāng)撞擊船的撞擊角度60°和90°時(shí)，兩船速度變化較為明顯，被撞船在撞擊部位的能量吸收也較大，速度在橫向變化明顯。

圖 4 被撞船速度運(yùn)動(dòng)曲線Fig. 4Velocity motion curve of collided ship

3.3 碰撞力

圖5表示基于流固耦合法通過改變碰撞角度和碰撞速度兩船發(fā)生碰撞時(shí)的碰撞力時(shí)間歷程曲線。可以看出，碰撞力具有很強(qiáng)的非線性特征，在碰撞過程中的不同階段船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的卸載，其每一次卸載都代表了某種構(gòu)件的失效和破壞。通過曲線對(duì)比可以看出最大碰撞力跟碰撞速度和碰撞角度有直接關(guān)系，小角度下的碰撞力比大角度下的碰撞力要小，同時(shí)速度越大碰撞力也隨之變大。以工況6為例，從碰撞力曲線上可以看到碰撞力在0.38 s之前逐漸增加，0.38 s到達(dá)最高點(diǎn)后隨之減小，當(dāng)其在0.60 s時(shí)急劇下降，達(dá)到一個(gè)較低點(diǎn)后開始處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的過程。隨著碰撞的一直進(jìn)行，撞深不斷增加，撞擊船和被撞船損傷面積也在增大，參與碰撞的構(gòu)件增多；碰撞結(jié)束后，撞擊船與被撞船粘在一起，因?yàn)閼T性和周圍水域的作用，兩船之間會(huì)存在著振蕩和擦碰，因此在理論上的碰撞結(jié)束時(shí)刻碰撞力并沒有迅速衰減為零。

圖 5 不同工況下的碰撞力變化曲線Fig. 5The curve of changing collision force under different working conditions

4 碰撞下的極限速度

在敵我雙方不可避免地發(fā)生碰撞以便達(dá)到驅(qū)趕敵船的目的時(shí)，操船過程中必須采取一定措施。不管是撞擊船還是被撞船，自身損傷變形盡量要小，結(jié)構(gòu)幾乎沒有出現(xiàn)破壞失效，危害既小又可以起到與對(duì)方對(duì)抗及顯示我方態(tài)度的目的。因此很有必要研究在不同撞擊角度下的碰撞極限速度。本節(jié)系統(tǒng)計(jì)算撞擊角度在 20°，45°，60°，90°和 135°下的 600 噸級(jí)巡邏船的極限撞擊速度。每種計(jì)算工況均以外板出現(xiàn)破裂為極限速度的評(píng)判依據(jù)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表 2 不同撞擊角度下的極限速度值Tab. 2The limiting velocity at different impact angles

圖6表示600噸級(jí)巡邏船在不同撞擊角度下的極限撞擊速度曲線。可以看出：1）90°撞擊下極限撞擊速度最小（3.5 m/s），為最危險(xiǎn)情況。20°撞擊下極限撞擊速度最大（10 m/s），為最安全情況。在需要發(fā)生船體接觸時(shí)，盡量以小速度、小角度碰擦為主要形式。2）將曲線分為上下2個(gè)區(qū)域，可以得出曲線下方對(duì)于被撞船來說是安全的，而對(duì)于曲線上方撞擊船的航速對(duì)被撞船是不利的，被撞船的外板結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生破裂失效。被撞船的結(jié)構(gòu)損傷變形主要集中在撞擊區(qū)域，由于巡邏船首部均較為瘦削，碰撞損傷具有局部性，撞擊過程易發(fā)生“劈柴效應(yīng)”，因此，在易發(fā)生碰撞部位或重要設(shè)備放置區(qū)域應(yīng)進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

圖 6 極限耐撞速度曲線Fig. 6Limiting crashworthiness velocity curve

5 結(jié) 語

本文建立船舶與水介質(zhì)全耦合有限元模型，利用船—水—船相互作用的流固耦合算法，對(duì)巡邏船首部區(qū)域結(jié)構(gòu)的碰撞特性進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：

1）基于“全耦合”分析技術(shù)，建立撞擊船與被撞船整船模型，成功解決了船體與流場(chǎng)、撞擊船與被撞船的耦合，更加真實(shí)地反映碰撞場(chǎng)景和碰撞載荷，使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2）將外部動(dòng)力學(xué)與內(nèi)部動(dòng)力學(xué)聯(lián)合考慮，不但獲得船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)，同時(shí)也獲得了被撞船舶的運(yùn)動(dòng)模式，被撞船在撞擊過程中以橫搖為主，伴隨有首搖與垂蕩。被碰船舶的運(yùn)動(dòng)幅度越大，能量越多地轉(zhuǎn)換為被撞船舶的動(dòng)能，碰撞雙方的結(jié)構(gòu)損傷就越小。

3）減小撞擊角度可以提高被撞船舶承受的極限撞擊速度。在不可避免的與敵船發(fā)生碰撞時(shí)，盡量采取首部、小角度碰撞，并將相對(duì)速度盡量控制在極限耐撞速度曲線以下，不僅起到驅(qū)趕敵船的目的，同時(shí)也可以保證撞擊船自身結(jié)構(gòu)與船上人員的安全。