張 健，王甫超,2，李建朝，劉海冬

(1. 江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 浙江大華技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310000；3. 上海外高橋造船有限公司, 上海 200137)

0 引 言

隨著世界貿(mào)易的日益繁榮，水上交通日益繁忙，船與船之間以及船與橋墩之間碰撞等事故往往導(dǎo)致船體局部構(gòu)件損壞，生命財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境污染等嚴(yán)重后果[1]。一直以來工程界廣泛關(guān)注碰撞載荷下船舶結(jié)構(gòu)的變形與失效。早期研究主要集中于將船舶結(jié)構(gòu)簡化為簡單結(jié)構(gòu)板和梁，使用經(jīng)典的塑性動力學(xué)理論或模型試驗(yàn)研究其非線性大變形問題[2-3]。顧永寧[4]使用膜、梁單元的切線剛度矩陣和位移增量迭代方法，研究了工字梁在碰撞過程中的彈塑性變形、撕裂和卸載。王自力[5]通過改變撞擊參數(shù)來研究舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)，得到船舶構(gòu)件失效次序會受到船船撞擊位置和撞擊角度的影響，而撞擊速度不會影響構(gòu)件失效順序，但未深入探討構(gòu)件失效形式。

為探討船舶舷側(cè)抗沖擊性能，本文通過數(shù)值模擬，對碰撞載荷下舷側(cè)結(jié)構(gòu)的變形和失效形式進(jìn)行分析。

1 研究方法

1.1 仿真基本假設(shè)及處理方法

有限元軟件MSC/Dytran模擬計(jì)算碰撞載荷是基于以下假設(shè)及處理展開的：

1）當(dāng)船舶發(fā)生碰撞時，較危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)闄C(jī)艙區(qū)域，撞擊船的船首撞擊被撞船的舷側(cè)區(qū)域，相撞兩船非碰撞區(qū)域船舶構(gòu)件均吸能較小，因此非碰撞區(qū)域船體假設(shè)為剛體；

2）因碰撞損傷區(qū)域主要發(fā)生在接觸區(qū)域，遠(yuǎn)離碰撞區(qū)的船體結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生變形，因此，在建模時對碰撞區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，而對于非碰撞區(qū)域的船體船體構(gòu)件采用簡化處理的方法，采用粗網(wǎng)格模擬；

3）以船體附加質(zhì)量的形式來考慮水介質(zhì)對相撞兩船體的影響，避開大量流固耦合計(jì)算。橫蕩與縱蕩的附加質(zhì)量系數(shù)分別為0.9和0.05；

4）碰撞過程中，接觸面不斷變化，本文采用主從接觸、自身接觸2種算法，撞擊船與被撞船的外板直接發(fā)生碰撞接觸選擇主—從接觸，而船體內(nèi)部各構(gòu)件也會受到擠壓而接觸選擇自身接觸算法，摩擦系數(shù)取0.3[6]。

1.2 材料模型

船體材料使用的低碳鋼對應(yīng)變率有較高的敏感性，因此，采用塑性動態(tài)硬化材料模型來描述低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[7-8]，材料的動屈服應(yīng)力以Cowper-Symonds本構(gòu)方程來計(jì)算：

式中：δ0為材料的靜屈服應(yīng)力；為材料在塑性應(yīng)變ε時的動屈服應(yīng)力；D和q為與材料相關(guān)的常數(shù)，對于船用低碳鋼D取40.4，q取5。

2 有限元模型

本文撞擊船與被撞船有限元模型均通過大型非線性軟件MSC.Patran建立，整個模型均采用板單元建立，碰撞區(qū)域有限元模型如圖1所示。

圖1 撞擊船船首、船中碰撞區(qū)模型

2.1 碰撞方案

碰撞速度不變，改變碰撞角度。

方案1：巡邏船以4 m/s速度正向90°撞擊被撞船的機(jī)艙區(qū)域

方案2：巡邏船以4 m/s速度20°撞擊被撞船的機(jī)艙區(qū)域；

方案3：巡邏船以4 m/s速度135°撞擊被撞船的機(jī)艙區(qū)域。

撞擊角度不變，改變碰撞速度。

方案4：撞擊船2 m/s速度90°撞擊被撞船的機(jī)艙區(qū)域；

方案5：巡邏船6 m/s速度90°撞擊被撞船的機(jī)艙區(qū)域；

圖2～圖4為角度變化的碰撞示意圖。

圖2 方案1碰撞示意圖

圖3 方案3碰撞示意圖

圖4 方案2碰撞示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 撞擊角度的影響

圖5～圖7給出了撞擊船以4 m/s不同角度撞擊時，被撞船機(jī)艙區(qū)域不同時刻損傷變形圖，被撞船的損傷構(gòu)件伴隨著碰撞進(jìn)一步加深。3種方案下，碰撞初期舷側(cè)外板主要表現(xiàn)為撞擊船作用區(qū)域的壓入變形和撞擊周圍區(qū)域的整體大變形。撞擊船首先接觸被撞船的舷側(cè)外板，外板都呈現(xiàn)出局部壓入變形，接觸區(qū)域首先產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)，并向四周以及甲板逐漸擴(kuò)展，同時甲板受到擠壓邊緣處向上隆起后產(chǎn)生塑性鉸，發(fā)生塑性變形。這是由于碰撞接觸區(qū)域受到純彎曲、軸向拉伸以及周向彎曲三者共同作用下，且軸向拉伸作用占很大比重，因此呈現(xiàn)出局部拉伸變形。但是隨著撞深的逐漸增加，船舶構(gòu)件的失效截然不同。

圖5 方案1被撞船舷側(cè)損傷變形

方案1船體仍然具有一定的速度，此時船體內(nèi)部被撞擊船小部分區(qū)域伸入后，被撞船舷側(cè)外板被伸入的撞擊船構(gòu)件輕微的劃割，同時被撞船舷側(cè)肋骨也在此作用下出現(xiàn)了彎曲變形和屈服。隨著撞擊的進(jìn)一步深入，強(qiáng)肋骨發(fā)生彎曲變形。從碰撞結(jié)束時損傷變形圖可以看出，外板和甲板破裂主要發(fā)生在碰撞區(qū)域，呈一條細(xì)長口。由于2艘船的干舷高度近似且撞擊船首部瘦削，兩船相撞接觸面積較小，引起碰撞區(qū)域出現(xiàn)小范圍大應(yīng)力的“劈柴”效應(yīng)，外板拉伸程度較大，主要的拉伸區(qū)域離強(qiáng)肋骨較遠(yuǎn)，因而外板內(nèi)側(cè)的舷側(cè)縱骨為主要支撐構(gòu)件。

圖6 方案2被撞船舷側(cè)損傷變形

對于方案2而言，船體外板膜拉伸后并沒有撕裂，隨著碰撞的推進(jìn)，強(qiáng)肋骨發(fā)生彎曲變形，緊接著舷側(cè)縱骨出現(xiàn)彎曲變形，最后靠近強(qiáng)肋骨處的甲板被撕裂。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)閮纱〗嵌扰鲎矔r，撞擊船首部受到碰撞力作用向外側(cè)反彈，沒有伸入撞擊船內(nèi)部，因而撞擊船首部在被撞船舷側(cè)發(fā)生滑動刮傷，而且損傷區(qū)域狹長，縱骨和強(qiáng)肋骨損傷變化較小。

圖7 方案3被撞船舷側(cè)損傷變形

對于方案3而言，被撞船船體進(jìn)一步貫入，撞擊接觸區(qū)域甲板被撕裂，緊接著外板被撕裂，伴隨著外板破裂的進(jìn)一步擴(kuò)展，舷側(cè)縱桁開始出現(xiàn)輕微彎曲。外板受壓拉伸，兩側(cè)的強(qiáng)肋骨為主要受力點(diǎn)，強(qiáng)肋骨與外板角隅屈曲而率先失效，強(qiáng)肋骨即失去對外板與甲板的支撐作用，因此，甲板與外板進(jìn)一步被撕裂，舷側(cè)縱骨受壓發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)。相對于方案4而言，大角度撞擊時，被撞船的變形區(qū)域更大，外板與強(qiáng)肋骨破損嚴(yán)重，在垂直撞擊時被撞船損傷具有局部性，但直接碰撞部位的結(jié)構(gòu)發(fā)生了更嚴(yán)重的破損變形。這是由于被撞船外板接觸面積更大，即外板拉伸面積大，拉伸程度相對較小，而且強(qiáng)肋骨還提供了很大的支撐作用，因而強(qiáng)肋骨彎曲變形也更嚴(yán)重，而舷側(cè)縱骨失效較小。

3.2 撞擊速度的影響

圖5、圖8和圖9給出了撞擊船以90°不同速度撞擊時，被撞船機(jī)艙區(qū)域不同時刻損傷變形圖。當(dāng)撞擊船以2 m/s正向撞擊時，被撞船外板受到被撞船直接沖壓向內(nèi)凹陷，并且甲板被擠壓向上隆起被壓褶，甲板迅速超過了材料屈服應(yīng)力而失效，此時舷側(cè)肋骨出現(xiàn)了面內(nèi)變形。被撞船切割外板失效而深入，接觸區(qū)域的甲板變形超過其延展性，舷側(cè)縱骨扭轉(zhuǎn)情況變重，但沒有失效。從圖5（c）和圖8（c），可以得出，撞擊船速度較低時，撞擊速度速度的變化對船舶橫框架損傷變形基本沒影響。

圖8 方案4被撞船舷側(cè)損傷變形

圖9 方案5被撞船舷側(cè)損傷變形

結(jié)合圖5、圖8和圖9，被撞船的失效次序并沒有隨速度的增加而改變，只是構(gòu)件失效程度增加。2 m/s正向撞擊時，撞擊船動能比較小，僅外板和甲板失效就結(jié)束了。但撞擊船以6 m/s撞擊時，船舶構(gòu)件被破壞的更嚴(yán)重。從圖9（b）可以看出，外板失效主要沿撞擊區(qū)域呈一條豎線局部失效，而甲板主要表現(xiàn)為橫向撕裂。橫向撕裂特征為甲板僅沿著周向發(fā)生撕裂破壞，而且甲板結(jié)構(gòu)的軸向塑性變形大于周向變形，因此甲板以周向中心線發(fā)生對稱撕裂破壞。碰撞接觸區(qū)域的外板主要是撞擊船劇烈的切割作用，外板遭受大面積的撕裂。

3.3 失效模式

船體結(jié)構(gòu)中，板材占很大比重。雖然板材的失效形式比較復(fù)雜，但在船舶碰撞中舷側(cè)結(jié)構(gòu)的5種主要失效形式：1）局部的塑性變形；2）甲板的手風(fēng)琴式撕裂；3）撕裂；4）屈曲；5）舷側(cè)縱向結(jié)構(gòu)的拉伸破壞。因此根據(jù)碰撞角度和速度的不同，碰撞載荷下舷側(cè)結(jié)構(gòu)的主要模式有：

模式1甲板與外板發(fā)生局部塑性變形，沿橫框架的角隅部位塑性變形。

模式2橫框架的角隅部位塑性變形，甲板與外板局部發(fā)生撕裂。

模式3橫框架的角隅部位屈曲失效，甲板手風(fēng)琴式撕裂，外板撕裂以及舷側(cè)縱骨拉伸失效。

4 結(jié) 語

選取船舶碰撞時，較易發(fā)生的碰撞接觸區(qū)域，通過對各種典型舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞模式下的數(shù)值模擬，分析了舷側(cè)結(jié)構(gòu)的失效模式，得出以下結(jié)論：

1）撞擊船斜角度碰撞時，與被撞船的接觸面積較大，主要以刮擦為主，會發(fā)生反彈作用，因此被撞船的構(gòu)件損傷區(qū)域狹長。

2）撞擊角度的改變會影響被撞船構(gòu)件的失效次序，主要體現(xiàn)在橫框架與舷側(cè)縱骨上，角度越大，橫框架失效越嚴(yán)重。

3）舶機(jī)艙區(qū)域的變形及損傷程度與撞擊角度有一定關(guān)系，與撞擊速度的大小成正比。

4）船舶碰撞載荷下，舷側(cè)結(jié)構(gòu)失效主要體現(xiàn)在局部塑性變形，甲板手風(fēng)琴式撕裂，外板撕裂，以及橫框架的屈曲。