小型艇舷侧结构碰撞损伤性能研究

５２卷第１期（总第１９４期）　中　国　造　船　Ｖｏ１．５２　Ｎｏ．１（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ　１９４）　Ｍａｒ　２０１ｌ　２０１１年３月　ＳＨＩＰＢＵＩＬＤＩＮＧ　ｏＦ　ＣＨＩＮＡ　文章编号：１０００－４８８２（２０１１）０１．０１１２—０７　小型艇舷侧结构碰撞损伤性能研究　高　嵩，陈炉云，张裕芳，易　宏　（上海交通大学船舶海洋与建筑＿Ｙ－程学院，上海２００２４０）　摘　要　船舶碰撞是在巨大冲击载荷作用下的一种复杂非线性瞬态响应过程。对于常用的小型艇而言，其体积小、　总体结构刚度比较弱，因而对于碰撞所带来的破坏性更为敏感。本文运用ＭＳＣ．ｄｙｔｒａＩｌ计算程序建模计算，着　重分析小型艇舷侧结构碰撞损伤特性，最终获得了小型艇的碰撞损伤主要是艇体的总体弯曲变形，损伤变形　区域占全船的比例较大，且艇体结构通常不会出现断裂破坏等相关结论。　关　键　词：船舶碰撞；小艇；数值仿真；舷侧结构；损伤　中图分类号：Ｕ６６１　４３　文献标识码：Ａ　０　引　言　船舶碰撞往往会造成结构破损、货物泄露、环境污染、人员伤亡等灾难性后果。对于船舶碰撞，　国内外近年来开展了一系列研究。作为其中的一个重要研究方向，船一船相撞的研究成果比较多。对于　大中型船舶，如超大型油船ＶＬＣＣ、液化石油气船ＬＰＧ、化学品船等的研究分析，特别是对其舷侧结构　的碰撞分析研究已经相对较多。通过研究，提出了一系列的改进措施，如提出了ＩＦＰ单壳舷侧耐撞结构、　ＣＣＴ双壳舷侧耐撞结构等新型舷侧结构。　然而对于诸如巡逻艇、交通艇这类吨位较小的船舶碰撞研究却较少，而且小型艇的舷侧结构形式　和损伤破坏特性有别上述大型船舶，因此，对小型艇的舷侧结构分析具有重要意义。　本文应用非线性有限元动态响应分析程序对某型巡逻艇的舷侧结构进行研究，分析结构碰撞的损　伤特性。　１模型概述　１．１结构分析模型　在一般的船舶碰撞研究中，不论是理论方法还是有限元分析方法，通常只考虑撞击船艏和被撞船　船舷其中一方的变形，而将另一方视为刚体，从而大大简化碰撞分析过程。但若从碰撞研究的角度来　看，为了更真实地模拟碰撞过程，即考虑碰撞双方的真实变形和吸能，应把撞击船和被撞船同时当作　变形体，来分析其结构响应。　小型艇碰撞，由于其吨位小，所以被撞艇的大部分结构均可能在碰撞过程中变形吸能，这一点有　收稿日期：２０１０—０８－０４；修改稿收稿日期：２０１０．１１．１２　５２卷第１期（总第１９４期）　高嵩，等：小型艇舷侧结构碰撞损伤性能研究　别于大型船舶，因此被撞艇必须建立全船模型；另一方面，被撞艇的舷侧型深较小，而撞击艇的速度　较高，接触面积可能较大，因此撞击艇也应当建立全船模型。碰撞模型如图ｌ所示。　在船舶碰撞分析中，船舶是在水中的，因此水对碰撞过程的影响是不可忽略的。通常采用３种不同　的方法处理附连水对船舶碰撞的影响：附连水质量法，流固耦合法，及等效船体梁法。附连水质量法　是将相撞船舶周围水的影响以船体附加质量的形式来加以考虑，排除复杂的流固耦合计算，计算时间　相对较短，而且可以得到比较满意的结果，因此本文选用附连水质量法进行流固耦合处理。　本文以某型巡逻艇为研究对象，其主尺度参数为：Ｌ＝１０．４８ｍ、Ｂ＝３．１３ｍ、Ｄ＝Ｉ．０７ｍ、Ｔ＝０．５ｍ、　＝６．７ｔ。　设２艘该型艇发生对中正撞：撞击艇以３０ｍ／ｓ的速度撞击被撞艇船舯；碰撞时两艇的吃水状态相同，处　于正浮状态，且均处于无动力状态。被撞艇主要发生横荡运动，撞击艇主要发生纵荡运动，故只须分　别考虑横荡运动、纵荡运动的附连水质量即可。在文中，附连水质量用Ｍｏｔｏｒａ总结的经验公式确定。　作横荡运动的被撞艇的附加质量取为　△　＝０．４Ｍ１　（１）　作纵荡运动的撞击艇的附加质量取为　＝０．０４Ｍ２　（２）　式（１）及式（２）中，　为被撞艇的质量，　为撞击艇的质量。　图１碰撞有限元模型　１．２材料特性　本艇的材料为船用结构钢。材料的本构模型选为线性强化弹塑性材料；屈服模型选用双线性模型；　具体参数如下：密度ｐ＝７．８×１０　ｋｇ／ｍ　，杨氏模量　ｆ＿２ｌ０ＧＰａ，泊松｝　＝０＿３，硬化模量Ｅｈ＝１．１８ＧＰａ，屈　服应力ｏ＝２３５ＭＰａ。材料失效准则采用最大塑性应变作为材料的破坏准则，结合本模型碰撞区域的网格　大小，最大塑性应变取ｓ　＝０．３。　１．３材料应变率　碰撞过程是一个动态响应过程，材料的动力特性影响不能忽略。实验表明，低碳钢的塑性性能对　应变率是高度敏感的，其屈服应力和拉伸强度极限随应变率的增加而增加。因此，在船体结构碰撞分　析中考虑材料应变率敏感性的影响是完全必要的。本文中材料应变率敏感性的模型满￣＿．Ｃｏｗｐｅｒ　ｓｙｍｏｎｄｓ本构方程：　１１４　中　国　造　船　学术论文　ａ　／＜ｓｏ＝１＋（龟／Ｄ）　（３）　式（３）中ｃ　是在塑性应变率　时的动屈服应力，ｃ　０是相应的静屈服应力，　和ｇ对于具体材料来说是　常数。对船用钢而言，强化参￣Ｄ＝４０．４和粘性参数ｑ＝５。　２仿真结果及分析　利用大型非线性有限元动态响应分析程序ＭＳＣ／ＤＹＴＲＡＮ对上述碰撞模型进行数值仿真，碰撞时　间设定为０．２ｓ。　２．１被撞艇的运动　如图２所示，当撞击艇以３０ｍ／ｓ的速度撞向被撞艇时，从两艇接触到０．０４ｓ左右的时间段里，被撞艇　的速度以近似线性增Ｊ３Ｈ￣ｌＪ４ｍ／ｓ，紧跟着加速度放缓，直至速度增ＤＨ￣１Ｊ５ｍ／ｓ。随后其速度就在４ｍ／ｓ上下　波动。究其原因，由于撞击艇和被撞艇质量小，被撞艇舷侧外板凹陷后，撞击艇船首继续上翘，两艇　发生相对滑移，从而造成被撞艇速度的波动，这是小艇碰撞和大船碰撞的重要区别之一。　一　ｌ　Ｉ　．　』ｌＪ　－　２　ｔ／ｓ　图２被撞艇速度曲线　２．２被撞艇的应力应变　图３给出了被撞艇的舷侧结构损伤变形的时序结果。从图中可以看出，ｔ－＝０．００９ｓ时，外板和甲板开　始变形；ｔ－＝０．０１　ｌｓ时，甲板肋骨和舷侧纵骨开始变形；ｔ－＝０．０１２ｓ时，舷侧肋骨开始变形；ｔ－＝０．０１４ｓ时，底　肋骨和甲板纵骨开始变形；随着碰撞过程的进行，当ｔ＝０．０７５ｓ时，外板发生大形变凹陷，且外板壳单元　中最大应变达到８＝０．１８ｌ，舷侧肋骨、舷侧纵骨、甲板肋骨、甲板纵骨不仅发生了面内弯曲，还发生了　侧向弯曲和拉伸变形，尤其是舷侧纵骨和甲板纵骨；这样的状况一直持续到碰撞结束。　图４为ｔ＝－Ｏ．０８２ｓ时被撞艇全艇的应力分布图。从图中可以看出，被撞艇碰撞区和其临近的较大的区　域内的船体板和骨架已经超过了屈服应力２３５ＭＰａ而进入了塑性状态，但其最大应变值为ｅ＝０．１８１，未达　到材料失效准则；因此小艇的碰撞过程中，被撞艇的损伤变形区域占全艇的比例较大。这也是小艇碰　撞和大船碰撞的重要区别之一。　中　国　造　船　学术论文　２．３碰撞力　图５给出了碰撞力随撞深的变化曲线。从图中可以看出，碰撞力具有明显的非线性。碰撞开始以后，　舷侧外板和甲板首先发挥了抵抗作用，碰撞力迅速增加，直至第一个峰值；随着接触面面积的减小，　碰撞力有所下降；随后，碰撞区域扩大，参与变形的面积不断增加，并且舷侧纵骨和甲板纵骨都发生　了较大的弯曲和拉伸变形，碰撞力再次逐渐增加；当撞深到达０．２５ｍ左右以后，舷侧骨架吸能变缓，碰　撞力逐渐减小：当撞深达Ｎｏ．５ｍ左右以后，底肋骨吸能增加，碰撞力增加；在此之后，由于撞击艇船　艏上翘和被撞艇舷侧的大变形，两艇的接触面积会在相对滑移的过程中不停变化，碰撞力也就会随之　出现较大的波动，直至两艇分离，碰撞力减小为０。　２．４能量吸收　图６给出了撞击艇和被撞艇的能量转化曲线，它反映了撞击艇和被撞艇的能量随时间的转化过程。　从图中可以看出撞击艇损失的动能绝大部分被被撞艇所吸收。　图５碰撞力．撞深曲线　图６撞击艇和被撞艇的能量转化　表１给出了撞击艇和被撞艇的能量吸收及转化的数据，表２给出了撞击艇和被撞艇的能量吸收及转　化比例的数据。表ｌ和表２中，１，表示撞击艇的速度，　表示撞击艇减少的动能，　２表示被撞艇的吸收　增加的动能，　表示撞击艇吸收的变形能，　：表示被撞艇吸收的变形能，　表示沙漏能。由这些数据　可知：如果把撞头等效为一个刚体，则撞击艇吸收的变形能将转嫁到被撞艇上，这样做的结果是所得　的结论偏于安全，其误差大小与撞击速度、撞头形状、撞击位置等因素相关，对于本例而言，撞击艇　吸收的变形能约占撞击艇减少的动能ｌ４．１２％。因此笔者认为，把撞击艇作为变形体考虑，结果会更加　真实准确。　．　表１　能量吸收转化　图７给出了被撞艇各构件吸收的变形能随时间的变化曲线。从图中可以看出，甲板、底肋骨和舷侧　５２卷第１期（总第１９４期）　高嵩，等：小型艇舷侧结构碰撞损伤性能研究　外板是主要吸能构件，舷侧肋骨、舷侧纵骨和甲板纵骨吸能次之，其它构件更少。在碰撞初期，Ｊ＇－ｌ￣　和甲板的能量吸收几乎相同；随着撞深的增加，外板和甲板发生了较大的变形，吸能增加减缓，与此　同时甲板纵骨、舷侧纵骨发生面内弯曲和侧向弯曲，吸能增加；而随着撞深的进一步增加，甲板纵骨、　舷侧纵骨吸能减缓，随之底肋骨吸收能量增加。　图７被撞艇各构件能量吸收　表３给出了最大变形量达到０．６８６ｍ时各构件的能量吸收情况，它反映了被撞艇舷侧结构发生碰撞时　各个构件的吸能能力。总体来看，甲板、底肋骨和舷侧外板吸能占了被撞艇吸收变形能的近７０％，成　为最主要的吸能构件。　表３各构件的吸能能力　３　结　论　本文研究了小型艇碰撞时舷侧结构的损伤特性，通过非线性有限元法进行了数值仿真研究，得到　了以下被撞小型艇舷侧结构损伤变形的结论：　（１）型艇的碰撞损伤主要是艇体的总体弯曲变形，首尾结构在船体结构发生总弯曲变形时可以相　互自由趋近，且损伤变形区域占全船的比例较大。　（２）小型艇变形能的吸收主要依靠船体板的面内、面外弯曲变形和船体骨架构件的面内、面外弯　曲变形，而船体板和其骨架构件的膜拉伸变形吸收的塑性变性能所占比例不是很大。　（３）型艇在大损伤变形的情况下通常不出现艇体结构的断裂破坏，而大型船舶的碰撞损伤的主要　ｌ１８　中　国　造　船　学术论文　特征则表现为船体结构因膜拉伸引起的断裂破坏。　（４）撞击艇以高速撞向被撞艇，随着时间推移和撞深增加，撞击艇和被撞艇发生相对滑移，接触　面不断变化，那么速度和碰撞力亦随之会有较大波动。　（５）甲板、底肋骨和舷侧外板吸能占了被撞艇吸收变形能的近７０％，是主要的吸能构件。　参考文献　【１】ＫＩＴＡＭＵＲＡ　Ｏ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｓｔｕａｙ　ｏｎ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｓｉｄｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［３］．Ｍａｒｎｉｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９８．３４（２）：　２９３．３０８．　【２１王自力，顾永宁．ＬＰＧ船的一种新型舷侧耐撞结构研究【Ｊ１．船舶工程２００１（２）：１２．１４　『３３１　王自力，顾永宁超大型油船双壳舷侧结构的碰撞性能研究【Ｊ】．中国造船．２００２，４３（１）：５８—６３．　【４】　王自力，顾永宁提高ＶＬＣＣ侧向抗撞能力的一种新式双壳结构【　船舶力学．２００２，６（１）：２７．３６　【５】姜金辉，王自力一种基于ＩＦＰ的单壳舷侧耐撞结构『Ｊ１船舶力学２００４，８（５）：８０—８５．　【６Ｊ　陶亮，马骏．计及船体梁载荷影响的船舶舷侧结构碰撞性能ｆＪ】中国造船２００７，４８（３）：８０．８５．　【７】　刘敬喜，叶文兵，徐建勇，胡紫剑．内河双壳油船舷侧结构耐撞性分析【Ｊ１中国造船２０１０，５１（１）：２１９．２２６　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｄａｍａｇｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｓｍａｌｌ　Ｓｈｉｐ’Ｓ　Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　Ｇａｏ　Ｓｏｎｇ，Ｃｈｅｎ　Ｌｕｙｕｎ，Ｚｈａｎｇ　Ｙｕｆａｎｇ，Ｙｉ　Ｈｏｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＮａｖａｌ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｏｃｅａｎ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏ　Ｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００３０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｓｈｉｐ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｎｏｌｉｎｅａｒ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｕｎｄｅｒ　ｈｕｇｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｌｏａｄ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｕｓｅｄ　ｂｏａｔｓ，ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅｉｒ　ｓｍａｌｌ　ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｗｅａｋ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｉｆｎｅｓｓ，ｔＩＩｅｙ　ａｒｅ　ｍｏｒｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｓｈｉｐ’Ｓ　ｃｏｌｌｉｓｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｒａｎ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＭＳＣ．ｄｙｔｒａｎ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ｂｙ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｄａｍａｇｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｏａｔ’Ｓ　ｓｉｄｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｏｂｔａｉｎ　ｓｏｍｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：ｔｈｅ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆ　ｂｏａｔｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｌａｌ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｕｌｌ，ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｒｅｇｉｏｎ　ａｃｃｏｕｎｔｓ　ｆｏｒ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｌａｌ　ｂｏａｔ　ａｎｄ　ｕｓｕａｌｌｙ　ｈｔｅｒｅ　ｗｏｎ’ｔ　ｂｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｕｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐ　ｃｏｌｌｉｓｏｎ；ｓｍａｌｌ　ｓｈｉｐ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｉｄｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｄａｍａｇｅ　作者简介　高嵩　男，１９８５年生，　硕士研究生。主要从事船舶结构耐撞性能方面的研究工作。　陈炉云　男，１９７５年生，　博士，讲师。主要从事船舶结构振动与噪声控制方面的研究工作。　张裕芳　女，１９６２年生，　博士，高级工程师。主要从事船舶可靠性方面的研究工作。　易宏　男，１９６２年生，　博士，教授。主要从事新船型的开发工作。