朱浩亮

（常州市地方海事局，江蘇常州213004）

碰撞位置對(duì)高速三體船碰撞性能的影響研究

朱浩亮

（常州市地方海事局，江蘇常州213004）

基于碰撞有限元分析方法及理論，以高速三體船為研究對(duì)象，使用有限元軟件MSC.Dytran全船仿真建立有限元模型。采用正面碰撞模型分別對(duì)三體船主體、附體和連接橋與剛性墻的碰撞開展計(jì)算，研究其在結(jié)構(gòu)損傷變形、位移、速度、碰撞力和船體結(jié)構(gòu)能量吸收等方面上的性能。針對(duì)以上研究結(jié)果對(duì)三體船結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化方案，最終通過數(shù)值仿真的計(jì)算、分析和比較，進(jìn)一步得出優(yōu)化后三體船碰撞性能的變化，為三體船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加強(qiáng)提供參考依據(jù)。

三體船；碰撞位置；有限元法；強(qiáng)度計(jì)算

三體船與剛形體碰撞產(chǎn)生的撞擊力與多種因素相關(guān)，比如碰撞位置、船舶噸位、碰撞方向、運(yùn)行速度、水的作用、剛體截面形狀和尺寸等。即使是撞擊相同的剛體，不同的撞擊條件下所得到的船撞力大小也各有不同。本文主要研究不同碰撞位置對(duì)高速三體船碰撞性能的影響，分析碰撞過程中三體船在結(jié)構(gòu)損傷變形、位移、速度、碰撞力和船體結(jié)構(gòu)能量吸收等方面上的性能，然后對(duì)三體船連接橋區(qū)域提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并對(duì)比了結(jié)構(gòu)優(yōu)化前三體船的碰撞性能，研究了三體船連接橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)三體船碰撞性能的影響。

1 位置參數(shù)對(duì)三體船碰撞性能的影響

1.1 三體船碰撞參數(shù)設(shè)置

由于高速三體船由主體、附體以及連接橋組成，所以，在建模過程中考慮到了整船建模。本節(jié)進(jìn)行全船碰撞有限元數(shù)值仿真的船舶是7 m高速三體船。船體的有限元模型的單元數(shù)為3 652個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 698個(gè)。利用MSC.Dytran軟件對(duì)整船碰撞模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析，研究其耐撞性能。假設(shè)船舶之間有10 mm的初始距離，船舶以25 kN（12.86 m/s）的初速度，分別以3個(gè)不同撞擊位置進(jìn)行仿真計(jì)算。方案Ⅰ表示高速三體船主體撞擊剛性體，方案Ⅱ表示高速三體船附體撞擊剛性體，方案Ⅲ表示高速三體船連接橋區(qū)域撞擊剛性體。3個(gè)方案的撞擊位置如圖1所示。

三體船采用玻璃鋼材料加工，在MSC軟件中可以直接從材料數(shù)據(jù)庫中獲得材料數(shù)據(jù)。對(duì)于MSC.Dytran的接觸分析，本文主要運(yùn)用自適應(yīng)接觸來模擬三體船的碰撞問題。

1.2 三體船碰撞性能

1．2．1 損傷變形

碰撞發(fā)生0.5 s后，高速三體船不同方案下的損傷變形、碰撞結(jié)果如圖2所示。

圖1 撞擊位置

從圖2可看出：①撞擊船船首碰撞損傷區(qū)域主要集中在受撞區(qū)域（方案Ⅰ為主體首部；方案Ⅱ?yàn)楦襟w首部；方案Ⅲ為連接橋區(qū)域）。隨著撞擊時(shí)間的增加，撞擊區(qū)域的損傷變形愈加嚴(yán)重，撞深隨之增加，損傷區(qū)域也隨之變大。②就損傷模式而言，方案Ⅰ的損傷變形以擠壓為主的撕裂和膜拉伸為主，在剛性體的碰撞下產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)，隨后發(fā)生拉伸變形超出失效應(yīng)變而使外板失效破裂，而方案Ⅱ和方案Ⅲ主要以剛性體劃割附體和連接橋而產(chǎn)生的，在受到剛性體碰撞作用下產(chǎn)生屈服、大變形、失穩(wěn)、斷裂。

圖2 不同方案下的碰撞損傷變形圖

1．2．2 速度及位移

3個(gè)不同撞擊位置的碰撞模型計(jì)算結(jié)束時(shí)刻不同方案下的高速三體船速度變化如圖3所示。

圖3 速度-時(shí)間變化曲線

從圖3中可以看出，方案Ⅰ中當(dāng)時(shí)間t=0.29 s時(shí)的速度為0，三體船碰撞停止。而方案Ⅱ和方案Ⅲ碰撞中，船體附體和連接橋破裂后撞擊船仍具有較高的速度，碰撞損傷繼續(xù)發(fā)展，由于撞擊船本身質(zhì)量較大，初始動(dòng)能巨大，對(duì)結(jié)構(gòu)破壞損傷能力較強(qiáng)，損失的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為船首大面積的變形能。3個(gè)不同撞擊位置的碰撞模型計(jì)算結(jié)束時(shí)刻不同方案下的高速三體船位移變化如圖4所示。從圖4中可以看出，3種方案下對(duì)于高速三體船的位移變化基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。然而，方案Ⅰ中位移曲線最平緩，方案Ⅱ位移曲線最陡峭，說明方案Ⅰ中剛性體抑制三體船往前航行的作用最大，方案Ⅱ最小，方案Ⅱ中船體仍然以一定速度往前航行。

圖4 位移-時(shí)間變化曲線

1．2．3 碰撞力

圖5為不同方案下高速三體船與剛性體之間的碰撞力曲線，從圖5中可以看出以下2點(diǎn)：①不同方案下的碰撞力曲線總體趨勢(shì)具有明顯的非線性，呈多峰狀態(tài)，且峰值處為船體接觸區(qū)域的主要構(gòu)件失效時(shí)刻。②不同位置碰撞引起的碰撞力曲線變化和最大值均有所不同，方案Ⅰ中，t=0.1 s時(shí)，碰撞力達(dá)到極值7.2×105N，隨著時(shí)間的推移，碰撞力逐漸減?。环桨涪蛑?，在t=0.08 s時(shí)，碰撞力達(dá)到極值0.79×105N；方案Ⅲ中，在t=0.07 s時(shí)，碰撞力達(dá)到極值6.00×105N。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，7 m高速三體船以12.86 m/s速度主體正向撞擊剛性體時(shí)碰撞力最大，附體撞擊剛性體時(shí)碰撞力最小。

1．2．4 能量吸收

撞擊船內(nèi)部各構(gòu)件能量吸收如表1所示。

表1 各構(gòu)件的吸能匯總

表1反映了高速三體船內(nèi)部各構(gòu)件在不同方案下的能量吸收情況，從表1中可以看出以下3點(diǎn)：①在一定的碰撞時(shí)間內(nèi)，不同構(gòu)件的能量吸收曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨著碰撞的進(jìn)行，同一構(gòu)件抵御碰撞的能力逐漸增加，總的變形能也隨之增大。②對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，總吸能方面，方案Ⅰ＞方案Ⅲ＞方案Ⅱ；方案Ⅰ中舷側(cè)外板是最主要吸能構(gòu)件，方案Ⅱ中附體是最主要吸能構(gòu)件，方案Ⅲ中連接橋是最主要吸能構(gòu)件。③不同方案下的能量吸收和撞擊位置有著十分重要的關(guān)系。

1.3 位置參數(shù)對(duì)三體船碰撞性能影響小結(jié)

不同方案下的碰撞結(jié)果比較如表2所示。

表2 不同方案下的碰撞結(jié)果比較

在改變不同撞擊位置的方案下，得到其在結(jié)構(gòu)損傷變形、位移與速度、碰撞力以及船結(jié)構(gòu)能量吸收等方面上的性能，結(jié)論如下：①撞擊船首碰撞損傷區(qū)域主要集中在受撞區(qū)域。②方案Ⅰ中，當(dāng)時(shí)間t=0.29 s時(shí)，速度為0，三體船碰撞停止。而方案Ⅱ和方案Ⅲ碰撞中，船體附體和連接橋破裂后撞擊船仍具有較高的速度，碰撞損傷繼續(xù)發(fā)展。3種方案下對(duì)于高速三體船的位移變化基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。然而，方案Ⅰ中位移曲線最平緩，方案Ⅱ位移曲線最陡峭。③方案Ⅰ中，t=0.1 s時(shí)，碰撞力達(dá)到極值7.2×105N，隨著時(shí)間的推移，碰撞力逐漸減??；方案Ⅱ中，t=0.08 s時(shí)，碰撞力達(dá)到極值0.79×105N；方案Ⅲ中，在t=0.07 s時(shí)，碰撞力達(dá)到極值6.00×105N。④總吸能方面，方案Ⅰ＞方案Ⅲ＞方案Ⅱ。方案Ⅰ中，舷側(cè)外板是最主要吸能構(gòu)件，方案Ⅱ中附體是最主要吸能構(gòu)件，方案Ⅲ中連接橋是最主要吸能構(gòu)件，不同方案下的能量吸收跟撞擊位置有著十分重要的關(guān)系。

2 優(yōu)化連接橋結(jié)構(gòu)

2.1 優(yōu)化方案

作為提高船舶抗撞能力的措施，本文提出了一種新的耐撞結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)——加強(qiáng)連接橋內(nèi)部橫隔板，即在連接橋內(nèi)部增加2道橫隔板，即在#5和#9肋位上，內(nèi)部增加2道橫隔板。

2.2 連接橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化后碰撞性能

圖6 連接橋結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后碰撞性能分析

本節(jié)針對(duì)連接橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，碰撞參數(shù)為連接橋與剛性平臺(tái)正面碰撞，撞擊速度為12.86 m/s，其他碰撞參數(shù)不變。連接橋結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后碰撞性能分析如圖6所示。

圖6反映了在連接橋結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后高速三體船碰撞性能，從圖6中可以看到：①從圖6（a）中看到連接橋結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的損傷變形范圍同樣有所減小，這意味著增加2道橫隔板增加了附體與連接橋之間內(nèi)部構(gòu)件抵御變形的能力，改變了整體結(jié)構(gòu)的吸能能力。②從圖6（b）中看到碰撞是一個(gè)非常短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的動(dòng)力沖擊，從碰撞開始到?jīng)_擊速度為0僅持續(xù)了0.25 s，連接橋橫隔板結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)對(duì)碰撞持續(xù)的時(shí)間的影響不大，僅僅對(duì)過程中碰撞速度有影響。③從圖6（c）中看到結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后三體船位移量小于未加強(qiáng)前的位移量。由此可見，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的連接橋橫隔板改變了變形損傷模式與吸能特性，使其抗撞潛能得以進(jìn)一步發(fā)揮，從而減小了撞擊力度。④從圖6（d）中看到結(jié)構(gòu)加強(qiáng)對(duì)抗撞性能的分析主要看到連接橋破裂的時(shí)刻。連接橋結(jié)構(gòu)在時(shí)間大約為0.07 s時(shí)破裂，而未加強(qiáng)的三體船在0.04 s時(shí)連接橋破裂，即加強(qiáng)后三體船的抗撞能力主要表現(xiàn)在它推遲了甲板的破裂，增加了整船的抵御碰撞的能力。

表3列出了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后高速三體船各構(gòu)件的構(gòu)件吸能能力情況。對(duì)照表1可以看出，加強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變了碰撞局部的吸能壓力。比如橫隔板，其與常規(guī)的船體結(jié)構(gòu)相比，吸能比例有所增加（增加了8%）。這是由于橫隔板結(jié)構(gòu)增加的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)損傷變形迅速擴(kuò)大到了一定程度，從而降低了附體和內(nèi)部其他構(gòu)件的吸能能力。

表3 各構(gòu)件的吸能匯總

3 結(jié)束語

本文首先研究不同碰撞位置對(duì)高速三體船碰撞性能的影響，然后增加了三體船連接橋的橫隔板，并對(duì)比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后三體船的碰撞性能，可以得出以下結(jié)論：①能量吸收與撞擊位置有著十分重要的關(guān)系，附體正面撞擊時(shí)結(jié)構(gòu)的吸能最少、碰撞力最大，這種情況下對(duì)船體結(jié)構(gòu)的損傷最嚴(yán)重；②連接橋加強(qiáng)后三體船的抗撞能力主要表現(xiàn)在它推遲了甲板的破裂，增加了整船抵御碰撞的能力；③連接橋加強(qiáng)前后單從吸能角度來講，橫隔板數(shù)量的變化增加了整船吸能，從而增強(qiáng)了三體船抵御碰撞的能力。

［1］黃毅銘.船舶舷側(cè)新型耐撞結(jié)構(gòu)研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2014.

［2］王君杰，宋彥臣，卜令濤.橋墩船撞力時(shí)間過程概率模型［J］.公路交通科技，2014（01）.

〔編輯：張思楠〕

U674.951

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.013

2095-6835（2017）15-0013-04