碰撞載荷下的V形波紋板結構的有限元損傷響應分析

夏雁生

摘要 為了研究落錘碰撞沖擊下船體板架的動態力學性能，文章對船體結構材料性能進行不同應變率下的材料靜、動態拉伸試驗，擬合得到船用鋼的Cowper-Symonds模型參數并作為仿真輸入，并針對V形波紋板進行碰撞有限元仿真分析，對V形波紋板的損傷變形、單元變形模式、能量耗散以及碰撞載荷進行研究。研究結果對船體結構設計與船舶耐撞性評估具有一定指導意義。

關鍵詞 船舶碰撞；船體板架結構；動態力學性能；數值仿真

中圖分類號 U661.43文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0105-03

0 引言

板架作為船體結構的基本組成部分，需研究其在船舶碰撞過程中的力學性能，以指導船舶結構設計。為了準確開展碰撞問題的數值仿真，考慮船用鋼的材料的試驗設計十分必要。

國內外學者針對板架結構的力學性能開展了系列試驗研究工作。Villavicencio等[1]開展了板架的準靜態沖壓試驗研究，揭示了其吸能與失效機理。Minorsky[2]建立了船舶碰撞的相關分析。在發貨所有船舶碰撞事故中船舶底部兩側的船底板往往是破壞較為嚴重的區域，由于船舶航運安全始終居首位。

為了研究船體板架在落錘碰撞沖擊下的動態力學響應，首先在不同應變率條件下進行了材料的拉伸實驗。通過對實驗數據的精確擬合，成功提取了適用于船用鋼的CS模型參數。進一步地，采用Abaqus軟件對碰撞過程進行了仿真模擬，全面考察了V形波紋板的損傷變形、單元變形模式、能量耗散以及碰撞載荷的特性。該研究不僅揭示了碰撞動態過程中的微觀和宏觀行為，也為船體結構設計和船舶耐撞性評估提供了重要的理論依據和實用指導，具有一定的工程應用價值。

1 船體結構材料性能試驗及分析

1.1 試件參數

根據《金屬材料拉伸試驗》標準（GB/T 288.1—2010）對于室溫下船用低碳鋼（Q235）母材上選取適當材料進行拉伸試驗的規范要求，用微機控制萬能試驗機開展準靜態拉伸試驗。具體的試件尺寸參數見圖1所示。

1.2 試驗結果

通過使用準靜態試驗機得到了Q235材料的力學性能參數及工程應力—應變關系曲線，參數結果見表1示。

1.3 仿真材料輸入

由于頸縮點以前和頸縮點以后部分應變相同而應力略有差別，C部分為直接連接兩部分的直線，見圖2所示。

由上述方法得到的“組合材料關系曲線”可以直接用于有限元軟件中的仿真材料參數輸入。

2 V形波紋船體板及落錘碰撞仿真場景分析

2.1 V形波紋船體板及落錘幾何參數

V形波紋型船體板結構由上下兩層面板和中間的V形波紋夾芯層組成，見圖3示。V形波紋型船體板結構面板長度是a為1 060 mm，寬度b為1 060 mm，夾芯層單元間距c為200 mm，上下面板之間高度H為100 mm，上面板厚度tt與下面板厚度tb分別為4 mm，上下面板之間的面板厚度為tc為2 mm，面板的橫截面面積為上、下面板的截面面積與所含胞元截面面積之和，具體參數值見表2示。

楔形落錘長為420 mm，寬為200 mm，高為255 mm，與V形波紋夾層板的碰撞速度8.28 m/s，錘頭及配重系統最大質量為1 350 kg，最大沖擊能量約50 kJ。

2.2 V形波紋船體板及落錘網格劃分

以波紋型船體板的幾何參數為依據，建立V形船體板的有限元結構模型，通過大型有限元模型ABAQUS有限元分析軟件，建立四周固定的三維彈性可拉伸的殼單元模型。有限元模型的夾芯間距及上下面板間的高度分割為5個單元，夾芯層間的胞元也被劃分為5個單元，其中金屬板面板劃分為2個單元，長度和寬度大致相同，網格單元采用shell163單元，網格尺寸為10 mm。波紋型船體板有限元模型沒有考慮初始缺陷，模型的材料采用材料拉伸的材料力學性能參數，楔形錘體采用三維實體單元建立模型。楔形錘體的質量通過材料密度控制，材料屬性密度設為0.007 5 g/mm³，力學屬性為彈性其中楊氏模量為235 000，泊松比為0.3。

2.3 裝配邊界條件設置

3 V形波紋型船體板有限元仿真分析

3.1 碰撞損傷

通過有限元仿真軟件ABAQUS對V形波紋型船體板進行有限元仿真分析，波紋型船體板施加表面接觸力，由楔形錘體對船體板模型產生沖擊載荷，對V形波紋型船體板的屈曲響應過程進行分析，分析結果統計見表3。表3給出了V形波紋型船體板的一階屈曲特征值。

3.2 損傷變形

上底板整體發生凹陷和彎曲變形，平板與錘頭接觸區域沿Z方向形成塑性鉸線，非接觸區域主要發生了膜拉伸變形。錘頭與上底板接觸區域端部所受應力最大。加筋結構主要發生了彎曲變形和膜拉伸變形，位于錘頭正下方的四根加強筋發生了明顯的彎曲變形，此外，芯層出現了明顯的扭曲變形，未出現壓潰現象。

3.3 單元失效模式

船體板變形由整體變形和局部凹陷組成銜接處為剪切作用，作用位置稱為剪切點，也被叫作最先破裂點。隨后裂紋擴展撕裂。由有限元仿真能夠更加清楚地看出失效形式及位置。該位置有剪切力和拉伸力。

3.4 能量耗散

見圖5以及表4表示V形波紋船體板結構的能量吸收情況，結構吸能性能是評估結構的重要參數。從圖中可以看出，面板承受沖擊載荷后船體板的吸能均在上升。V形波紋船體板在0.02 s左右達到峰值，最大值為45.49 MJ。隨著錘頭的反彈，能量吸收曲線有較小的下降后趨于平緩，最終能量穩定在44.63 MJ。在整個碰撞載荷作用過程中，船體板各構件吸能變化趨勢總體保持一致，各構件吸收能量隨著時間增加而增加。此外，船體板結構中上面板為主要的塑性變形吸能構件，計算結束時吸能在V形波紋船體板中的占比68.41%。因此，在設計船體面板時應盡可能地提高外板的抗碰撞性能。

4 結語

通過準靜態試驗，獲得了典型船用鋼材的力學性能參數，基于試驗結果開展了材料非線性仿真輸入研究，考慮了材料硬化、不同網格失效應變以及應變率敏感性的影響，為結構沖擊問題的非線性有限元仿真計算提供技術支撐。

該文對有限元仿真軟件非線性分析后發現，在楔形錘體沖擊載荷的作用下，對V形金屬波紋船體板的抗沖擊性能進行極限分析，分析他們的極限承載能力和失效模式。從有限元分析結果可以看出V形波紋船體板在超過彈性階段后，即發生屈曲失效，在塑性階段仍然能夠具有一定的承載性能；最大變形發生在楔形錘體與船體板接觸的區域，波紋型船體板結構主要吸能部分是上層面板和夾芯板。

參考文獻

[1]Villavicencio R， Liu B， Soares C G. Experimental and numerical analysis of a tanker side panel laterally punched by a knife edge indenter[J]. Marine Structures， 2014（37）： 173-202.

[2]Minorsky V U. An analysis of ship collisions with reference to protection of nuclear power plants[J]. Journal of Ship Research， 1958（2）：1-4.