極端海況下復合材料高速船的結構響應與損傷研究

范清揚 劉 斌 雷加靜 吳衛國

(武漢理工大學綠色智能江海直達船舶與郵輪游艇研究中心1) 武漢 430063) (武漢理工大學船海與能源動力工程學院2) 武漢 430063) (中國艦船研究設計中心3) 武漢 430064)

0 引 言

目前在砰擊研究領域，研究方法主要包括：理論方法[3]、試驗[4]和數值仿真[5].近年來，運用基于ALE的有限元方法來研究入水砰擊問題已取得了較大進展[6-8]，但以往的研究對象多為形狀簡單的楔形體，針對形狀復雜的高速船剖面入水研究還較少[9].高速船船長較短，砰擊顫振的影響很小，砰擊引起的船體局部結構響應更受關注.不同高速船船型最大砰擊區域的位置也有所差別，通常單體高速船的船艏[10]、雙體船和三體船的連接橋[11]都是易受砰擊作用的區域.因此，為了分析高速船局部結構動態響應，需要先確定砰擊載荷作用最大區域的位置.

砰擊荷載作用下復合材料層合板的結構響應與損傷研究相對較少.殷憲龍等[12-13]通過數值方法探究了不同骨架形式、骨材尺寸及外板厚度對抗砰擊性能的影響.Hassoon等[14-16]針對復合材料層合板入水砰擊開展了試驗和數值仿真研究，探究了不同材料、入水速度以及邊界條件對砰擊載荷及其結構動態響應的影響.

文中運用有限元軟件LS-DYNA研究船體剖面的砰擊載荷及局部結構的動態響應，確定艏部、舯部及艉部典型剖面在最大砰擊區域的位置，探究不同加筋形式復合材料層合板的抗砰擊性能.

1 高速船典型剖面入水砰擊分析

1.1 研究對象

以某復合材料高速船艉部、舯部及艏部典型剖面為研究對象開展入水砰擊分析，剖面位置見圖1，圖中1.2 m為肋骨間距.該高速船依據《勞氏船級社特種船規范》進行結構設計，主尺度參數見表1.

圖1 復合材料高速船典型剖面(單位：m)

表1 復合材料高速船的主尺度參數

各剖面的入水速度Vbs依據《勞氏船級社軍船規范》計算，計算公式為

(1)

1.2 有限元模型

運用LS-DYNA對高速船剖面的二維入水砰擊過程進行數值計算，建立了圖2的有限元模型.該模型在z方向設置一個單元長度，在y軸處采用了對稱邊界，除對稱面外其余各個邊界均采用無反射邊界，這樣設置可以減小邊界條件對仿真結果的影響，同時約束所有節點在法向上的位移.船體剖面使用殼單元建模，通過剛性材料MAT_RIGID定義材料參數.水域和空氣域使用實體單元建模，通過空材料MAT_NULL定義材料參數.

圖2 有限元模型

空氣域采用線性多項式Polynomial狀態方程，線性多項式Polynomial狀態方程中氣體滿足γ定律狀態方程，其壓力值與體積關系為

悠悠70年，厚重的歷史見證了廣東新華印刷的成長，印刷內容在不斷變化，印刷技術在不斷革新，唯一不變的是，堅韌、有沖勁兒的企業文化。

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(C4+C5μ+C6μ2)E

(2)

式中：C0，C1，C2，C3，C4，C5，C6為常數；V為相對體積；μ=1/V-1；E為初始單位體積內能.狀態方程中使用的主要參數列于表2.

表2 空氣域的狀態方程參數

水域采用Gruneisen狀態方程，壓縮狀態下的Gruneisen狀態方程可以通過沖擊速度定義為

(λ0+aμ)E

(3)

式中：ρ0為流體密度；E為流體的單位體積內能；a為體積修正系數；S1，S2，S3為vs-vp曲線斜率的相關參數；vs為沖擊波速度；vp為質點速度；λ0為Gruneisen參數.狀態方程中使用的主要參數列于表3.

表3 水域的狀態方程參數

1.3 網格收斂性分析

為保證計算結果的可靠性，分別對網格尺寸為50、25及12.5 mm艏部典型剖面進行數值仿真計算并開展參數研究，三個模型的遭受量-的量綱砰擊力Cf=F/(0.5ρv2Ssinβ)的仿真結果對比見圖3，式中：S為剖面面積；β為剖面底部斜升角.不同網格尺寸模型的信息見表4，對比了其網格數量以及計算時長.由圖3可知：當網格尺寸為50 mm時，砰擊力的峰值最小.而網格尺寸分別為25 及12.5 mm的模型其砰擊壓力時間歷程較為接近，呈較好的一致性，表明該網格尺寸下，有限元仿真計算已經收斂.當模型尺寸為12.5 mm時，相較于模型尺寸為25 mm，其仿真耗時顯著增加至5.18倍.可見當網格尺寸為25 mm時可在保障計算精度的前提下顯著提高計算效率，故選取網格尺為25 mm開展研究.

圖3 不同網格尺寸下砰擊力-時間曲線對比

表4 不同網格尺寸的模型信息

1.4 砰擊載荷及作用區域分析

圖4為縱向寬度為25 mm時各個剖面的整體砰擊力隨時間變化曲線.由圖4可知：雖然船艉剖面的的入水速度要遠小于船艏剖面(3.2 m/s<16.6 m/s)，但是由于其底部斜升角較小，導致產生的砰擊力最大，砰擊力峰值由船底向舷側遞減.船艉及船舯剖面的砰擊力主要在接觸水面時產生，砰擊力達到峰值后逐漸減小并趨于穩定.船艏剖面底部砰擊力先增大后減小，當舷側于水面接觸時砰擊力迅速增加，到達防濺條處時砰擊力到達峰值.

圖4 各個剖面的砰擊力-時間曲線

圖5為砰擊力最大時自由液面變化情況及流場壓力分布.由圖5可知：當砰擊力達到峰值時，船舯及船艉剖面的剖面載荷作用的最大區域都位于底部，而船艏剖面載荷作用的最大區域位于防濺條下端.圖6為不同時刻下砰擊壓力-沿船體剖面變化曲線，由圖6可知：船舯及船艉剖面砰擊壓力延船體剖面先增加后減小.當砰擊力減小時，剖面的砰擊壓力也迅速減小并趨于穩定.而船艏剖面的形狀較為復雜，砰擊壓力峰值集中在防濺條的拐角處.

圖5 砰擊力最大時自由液面變化情況及流場壓力分布

圖6 砰擊壓力-沿船體剖面變化曲線

本文已通過關鍵字*DATABASE_FSI_SENSOR沿船體剖面設置了砰擊壓力測量點，測量點的大小和網格尺寸一致，船艉及船舯剖面測量點數量300個，船艏剖面測量點數量245個，測量點記錄數據的時間間隔為0.001 s.根據上述分析結果，提取船艉及船舯剖面AB段及船艏剖面ABC段的所有測量點的砰擊壓力-時間曲線作為動態響應分析的局部載荷.

2 復合材料加筋板動態響應分析

2.1 研究對象

選取較大砰擊區域的加筋板為研究對象.船艉及船舯底部區域加筋板位于兩個縱艙壁之間，船艏舷側區域加筋板位于兩個甲板之間.縱艙壁和甲板作為支撐構件足夠強，在砰擊載荷作用下不易發生變形.因此，將加筋板周圍的邊界簡化為固定約束.

依據文獻[16]設計兩種加筋形式復合材料層合板，通過靜強度校核表明兩種加筋滿足靜強度設計要求且應力水平相近.船艉及船舯剖面加筋板的底板厚度10 mm，加筋尺寸FB130×12 mm，加筋間距300 mm；船艏剖面加筋板的底板厚度10 mm，加筋尺寸FB150×15 mm，加筋間距275 mm.采用帽型加筋的加筋間距、加筋厚度及底板厚度相同，加筋尺寸見圖7.復合材料層合板由短切氈CSM及網格布WR構成，其中CSM的樹脂纖維含量高、致密性好，主要作為構造層及防滲層，用于層合板的外層和中間；而受力性能較好的WR作為層合板的強度層，不同厚度的層合板內部鋪層見圖8.

圖7 加筋板位置及尺寸

圖8 復合材料層合板的鋪層

2.2 有限元模型

運用LS-DYNA建立圖9的加筋板有限元模型，設定單元類型為殼單元.由于選取的典型剖面跨度不大，可假設砰擊載荷沿船長方向不變，再通過關鍵字*LOAD_SHELL_SET將提取的載荷施加于加筋板上.為便于載荷施加，網格尺寸與砰擊分析時相同.復合材料的材料參數、厚度，以及鋪層順序通過關鍵字*PART_COMPOSITE定義，CSM及WR的材料參數及厚度參照《勞氏船級社規范》中的公式和算例，具體參數見表5.CSM及WR的應力-應變曲線見圖10.復合材料的材料模型選用“Mat.54-Enhanced composite damage”,該材料采用Chang-Chang失效準則.

圖9 加筋板有限元模型

表5 復合材料參數

圖10 CSM及WR的應力-應變曲線

2.3 動態響應及損傷分析

各個剖面加筋板變形破壞情況見圖11～13.顏色的深淺反映了材料損傷程度的大小，顏色越淺的區域代表材料損傷程度越小，1為沒有損傷，0為完全失效.由圖11可知：普通加筋板在極端砰擊載荷作用下損傷出現在加筋板的跨中及兩端，而采用帽型加筋后損傷僅僅出現在兩端.由圖12可知：當砰擊載荷作用較小時，兩種加筋的損傷都位于加筋板的頂端.由圖13可知：船艏區域的普通加筋在極端砰擊載荷作用時結構兩端及跨中發生破壞，跨中的裂縫向兩端迅速傳播致使結構完全失效，雖然帽型加筋板兩端也出現了局部損傷，但是保持了結構的完整性.船艉承受的砰擊載荷更大，但結構完全失效的加筋板出現在船艏，這是因為船艉剖面的砰擊載荷峰值大，持續時間較短，砰擊產生的總能量小于船艏剖面.

圖11 船艉加筋板損傷

圖12 船舯加筋板損傷

圖13 船艏加筋板損傷

圖14為普通及帽形加筋板最大變形，最大變形區域都位于加筋板中央.船舯剖面砰擊載荷作用最小，使用普通或帽型加筋的最大變形差別不大.而船艏及船艉剖面遭受的砰擊載荷較大，使用普通加筋會產生很大的變形，結構發生破壞見圖10和圖12.使用帽形加筋后，最大變形只有普通加筋的1/3～1/4.

圖14 各個剖面加筋板最大變形-時間曲線

3 結 論

1) 高速船艏部剖面的入水速度最大，但根據入水砰擊分析的結果可知：由于船艉剖面底部斜升角很小，致使其極端海況下的砰擊載荷大于艏部剖面.

2) 高速船艉部及舯部剖面最大砰擊載荷作用區域都位于底部，而艏部剖面由于底部斜升角較大及防濺條的存在減少了甲板上浪，砰擊載荷作用的最大區域位于防濺條下端.

3) 在極端砰擊載荷的作用下，船艏及船艉的普通加筋都發生了嚴重的破壞，使用帽型加筋保持了結構的完整性，有效減小結構的變形及損傷.