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船舶碰撞同步损伤过程研究

船舶碰撞同步损伤过程研究 2011： 一、前言 船舶碰撞是船体结构在很短的时间内，在巨大冲击载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程。一般来说，碰撞至少涉及一艘被撞船和一个碰撞物体，或者两艘船舶。根据被撞船中心线与碰撞船或物体速度矢量的相对位置，碰撞分为正碰和斜碰，而结构响应与相对位置有很大的关系。 在最危险的直角碰撞中，撞击船艏和被撞船舷侧结构的相对刚度和能量吸收是两个关键。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，通常只考虑被撞船舷侧的变形，而把撞击船的船艏设定为刚体以简化计算及分析。比如，一般的船舶舷侧板遭球鼻艏撞击时的理论公式及简化公式中，都将撞击船艏视为刚体，从而大大简化碰撞分析过程。在有限元模拟船舶碰撞的分析中，通常将被撞船的舷侧撞击区处理成可变形结构，撞击船的艏部作刚体处理，这样可以大大简化分析和计算，也是偏安全的，一般可以作为近似结果。但若从碰撞研究的角度来看，考虑碰撞双方的真实变形和吸能，对船舶碰撞过程进行真实模拟也是必不可少的，因此本文采用大型动态分析软件MSC.Dytran，对撞击船艏部和被撞船舷侧的同步损伤特性进行碰撞仿真研究。二、碰撞模型为了研究一种比较普遍且危险的状态，本文假设两艘相同型号的船发生垂直碰撞，碰撞时它们的吃水状态相同，正浮于水面。为了减少建模工作量，缩短计算时间，不必将两艘船舶的全船模型作为有限元分析的计算模型。本文将撞击船的艏部和被撞船的舷侧撞击区处理成可变形结构，作为计算模型，通过定义边界约束和大质量单元来模拟全船模型的碰撞效果，碰撞时被撞舰船静止在水面上，舷侧受到另一艘舰船艏部的垂直撞击，碰撞模型如图1所示。

图1 碰撞模型

模型采用某型护卫舰舰体结构形式，艏部模型取为艏柱至15#肋位的一段舰体，舷侧模型取94#肋位至114#肋位舰体，舰体材料相同，采用线性强化弹塑性模型，并考虑材料应变率敏感性。由于舰艏和舷侧结构有限元模型的网格大小不同，它们的最大塑性失效应变分别为0.43和0.33。有限元全部采用4节点壳单元，模型的节点数为24763，单元数为24515，如图2所示。

图2 有限元模型

三、计算结果及其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。在P4计算机上，追踪计算到大约撞深0.45米时（此时上甲板和舷侧外板已经破裂），需运算约23小时（82,014秒）。 1.结构同步损伤变形舰艏结构与舷侧结构撞击后的损伤变形结果，如图3所示。

图3 船艏与舷侧结构碰撞损伤变形（局部）

从图3中可以看出，由于吨位与吃水状态相同，球鼻艏结构并没有接触碰撞到被撞船舷侧，与舷侧结构发生碰撞的是水线上方艏柱前倾部分，被撞船的碰撞区域在上层甲板及相连的舷侧外板。从图中还可以看出，撞击船艏的艏柱部分已经切入到了被撞船的舷侧内部，这时被撞船的舷侧外板和上甲板均发生了破裂，但撞击船艏部没有大的变形和损伤，也没有破裂。值得注意的是，碰撞使撞击船艏部在船长方向发生了倾斜。在真实侧向垂直碰撞时，撞击船也会发生纵向的倾斜，但本文数值计算的艏部倾斜状态与真实状态略有不同，产生这种情况的原因有以下几点。(1)将撞击船简化成只有艏部结构，整船重量加于船艏的后部，虽然保证了冲击的动能不变，但全船撞击时的纵向转动轴心要远远大于船艏结构的纵向转动轴心，即船长方向的惯性矩不同使倾斜角度与真实情况相比偏大。(2)被撞船简化成一个舷侧舱段后，两端施加了约束，限制了船宽方向的转动，也使得艏部的仿真计算倾斜角度与真实情况相比偏大。(3)真实情况下船舶碰撞发生在水中，水对其运动有阻尼作用，而仿真计算时没有考虑水的影响，也会使艏部发生较大的倾斜角度。虽然在碰撞过程中，艏部的碰撞姿态与真实情况存在些许差别，但基本不影响结果的正确性。2.撞击船艏部结构的损伤变形撞击船艏结构发生碰撞后的损伤变形情况，如图4所示。

图4 船艏结构损伤变形

舰艏碰撞局部区域的损伤变形，如图5所示。

图5 船艏结构损伤变形(局部)

从图5中可以看出，艏部结构的变形不大，艏部外板发生了一定程度的屈曲变形，与船侧直接碰撞的区域发生了较大的压溃变形。3.被撞船舷侧结构的损伤变形被撞船舷侧结构发生碰撞后的损伤变形情况，如图6所示。

图6 舷侧结构损伤变形

从图6中可以看出，直接与舰艏相撞的船侧及上甲板部分发生了很大变形，出现破裂，而其他区域的变形很小，说明舷侧结构的损伤变形具有局部性，基本上集中在碰撞区域。舷侧结构损伤变形局部图，如图7所示。

图7 舷侧结构损伤变形（局部）

从图7中可以看出，舷侧外板发生了拉伸变形，上端已经被船艏切开了一个裂口，这个裂口会随着碰撞的继续而不断加深加大，最终导致灾难性后果。同时可以看到，与之相连的甲板也发生了失效，出现破裂。总之，对于这样一艘单壳船舶，在遭受到相同吨位的船舶艏部以正常速度撞击时，舷侧结构几乎不可避免发生舷侧的破损。4.碰撞力两船发生碰撞时的碰撞力时间历程曲线，如图8所示。

图8 碰撞力时间历程曲线

从图8中可以看出，在碰撞过程中，结构出现了多次的卸载现象，碰撞力具有很强的非线性特性。这个碰撞力可以看成是撞击船的冲击力，也可以看成是被撞船的抵抗力，但它的变化趋势主要还是由被撞船的舷侧结构和损伤变形决定的。在相撞初期，碰撞力虽有波动但不断上升，当舷侧外板及相连上层甲板出现破裂后（a点），碰撞力迅速下降，随着接触面积的增加，损伤变形区域逐渐扩大使碰撞力再次上升。可以预见的是，虽然舷侧结构还有一定的抵抗能力，碰撞力存在一定的潜力，但随着碰撞的继续，舷侧板的破裂口会不断加大，将不可避免地致使船舱进水，从而使抵抗力失去意义。5.能量吸收文中撞击船艏和被撞船舷侧结构的吸能是我们研究的重点，船艏与舷侧结构的能量吸收情况，如图9所示。

图9 船艏与舷侧结构碰撞吸能曲线比较

从图9中可以看出，舷侧结构的能量吸收明显大于艏部的能量吸收，这个结果验证了在一般情况下所作的假设。一般情况下，艏部结构的吸能都小于舷侧结构的吸能能力，所以为了简化计算将艏部结构假定为刚体，而能量全部由舷侧结构的变形来吸收，这种简化对于被撞船来说是偏安全的。但是，通过本文的数值仿真计算应该注意到，对于具有相似吨位和结构形式的船舶来说，在发生垂直碰撞时，撞击船的艏部也吸收了相当一部分的能量（约占总吸能的25%），这样可以使被撞船的损伤变形程度得到相对缓解。从船艏和舷侧结构的吸能曲线中还可以看出，艏部和舷侧结构都有一段吸能增长较快的阶段和缓慢的阶段。船艏结构在碰撞的开始阶段增加较快，在这一阶段发生了局部的塑性变形，但随着舷侧结构的破裂失效，船艏的变形趋势缓慢下来，吸能的增长也随之趋缓。舷侧结构在碰撞开始后能量吸收增加迅速，同时结构发生了较大的局部屈曲变形，直到舷侧外板及上甲板破裂，舷侧结构的抵抗能力迅速下降，吸能的增长变得平缓。由于是单壳结构，舷侧外板破裂意味着已经达到了极限状态，所以舷侧外板出现破裂之前的碰撞吸能情况是我们研究的重点。舷侧结构不同构件的能量吸收曲线，如图10所示。

图10 舷侧结构不同构件能量吸收曲线

从图10中可以看出，在舷侧外板出现破裂之前（约0.15秒），甲板和舷侧外板吸能最多且交替上升，吸能能力相差不多，与之相连的横向骨架结构和舷侧纵骨也吸收了相当比例的变形能。舷侧外板出现破裂之后，上甲板的吸能能力超过了舷侧外板，在迅速上升了一段时间后上甲板也出现了失效，能量几乎不再增加，而舷侧外板在破裂后随着参与变形的范围扩大，吸能仍保持了一定的增加速度，这一阶段的横向骨架结构和舷侧纵骨由于结构出现了失效，吸能增加缓慢。舷侧结构不同构件的吸能比例，如表1所示。

表1 舷侧结构的吸能能力

四、结语本文针对舰船，考虑撞击船艏和被撞船舷侧结构的同步损伤变形，利用非线性有限元数值仿真技术研究了碰撞双方的变形损伤和吸能特性。研究表明，对于具有相似吨位和结构形式的船舶来说，在发生垂直碰撞时，撞击船的艏部也吸收了相当一部分的能量（约占总吸能的25%），可使被撞船的损伤变形程度得到相对缓解。(end)

沈宏

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