小型快艇结构耐撞性研究

陈炉云 侯国华 张裕芳

1 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240 2 总装备部陆军装备科订部，北京 100034

0 引 言

船舶碰撞是一种在巨大冲击载荷作用下的复杂非线性瞬态响应过程，它具有非常明显的动力特性，在碰撞区内的构件一般都会迅速超越弹性阶段而进入塑性流动状态，并出现撕裂、屈曲等形式的破坏和失效。船舶碰撞形式受很多因素影响，如碰撞时的环境条件，风、浪、流等的影响，两船相撞时的相对位置和速度，碰撞部位等等。

对于船舶结构碰撞问题，国内外开展了一系列的研究工作：Yagi等［1］对船舶尖艏结构的碰撞特性进行研究，对比分析不同形状的艏部碰撞力，提出了缓冲艏部结构设计；Wang等［2］对船舶与桥墩碰撞的结构变形进行研究，分析了不同碰撞形式结构失效模式，并对比了不同结构形式的耐撞性；Tabri等［3］对船舶碰撞问题进行了模拟实验，并与数值分析进行对比。胡志强等［4］综述了船舶碰撞机理与耐撞性结构设计，对耐撞性船舶的研究方向进行展望；Hu等［5］对海洋平台的碰撞特性进行系统的研究，提出了一种新的耐撞结构形式；刘敬喜等［6］对单壳船舷侧结构的碰撞进行分析，分析了耐撞性结构形式；Hou等［7］在对结构碰撞分析的基础上，开展了基于多目标优化的结构耐撞性分析；Klanac等［8］在对潜艇结构碰撞分析的基础上，开展了潜艇结构的耐撞性分析；刘峰［9］基于耐撞性的理论，提出了一种新型船舶结构形式，并进行了数值验证；郭君等［10］采用理论和数值分析相结合的方式，研究了被撞船舷侧典型带板梁结构的吸能和破坏机理，分析了壳单元和体单元及其网格尺寸对碰撞力和吸能结果的影响及带板梁的吸能成分等问题；庄科挺等［11］提出了计及摩擦力影响后，船舶舷侧加筋板耐撞性能分析的一种简化分析方法，讨论了球鼻艏撞击作用下舷侧加筋板的渐进破坏过程。

船舶碰撞研究大多针对大型船舶，对于诸如巡逻艇、交通艇这样吨位小、速度快的结构碰撞研究较少。小型快艇碰撞特性与大型船舶有一定区别，开展小型快艇碰撞研究和耐撞性结构设计具有重要意义。在这方面，Toyama［12］对小型快艇艏结构碰撞特性进行了研究；高嵩等［13］对小型艇舷侧结构碰撞特性进行研究，指出了小型快艇与大型船舶碰撞特性的一些重要区别。

本文以小型快艇结构耐撞性问题为研究对象，在分析一些与大型船舶结构碰撞区别的基础上，开展小型快艇结构耐撞性设计研究，探索评价小型快艇结构耐撞性衡准问题，为中、小型快艇满足特殊用途的设计建造提供技术支持。

1 结构耐撞性衡准

耐撞性是衡量结构抗撞性能好坏的标准。耐撞性设计是指采用合理的结构设计来改善结构的耐撞性，可用耐撞指标（Crashworthiness Index）βc来表达。结构耐撞性设计方法包括：采用新型耐撞结构形式、应用新型耐撞性材料。在结构耐撞性优化中，需建立相应的耐撞性衡准，为结构设计和优化提供理论基础和考核指标。

在大型船舶结构耐撞性分析中，采用结构材料有效利用率的结构质量吸能能力作为结构耐撞性评价指标，该指标在表征大型船舶结构的耐撞性时具有一定的说服力。

然而，不同于大型船舶，小型艇具有如下的碰撞特性：

1）被撞艇的损伤变形区域占全艇的比例较大；

2）被撞艇的碰撞损伤主要是艇体的总体弯曲变形，其艏艉结构在船体结构发生总弯曲变形时可以相互自由趋近；

3）碰撞后航态变化复杂且与撞击速度密切有关；

4）相互碰撞的小型艇都是变形体。

针对小型艇的碰撞特点，如果仅将结构吸能能力定义为结构耐撞性指标，不能全面描述小型艇的碰撞特性。

1.1 结构撞深衡准

将艇体结构撞深（Collision Penetration）定义为小型艇结构耐撞性的一个衡量标准，写为：

式中，D(x)为在确定的结构破坏状态下艇体结构的撞深。用结构撞深表征碰撞过程中结构被压溃的位移，它直观地反映了被撞艇的结构损伤程度。在结构耐撞性设计中，追求结构比较小的最大结构撞深。

1.2 结构塑性应变衡准

将被撞艇艇体结构的最大塑性应变（Plastic Strain）εp作为小型艇结构耐撞性的衡量标准，写成：

式中，ε(x)为被撞艇艇体破坏时的结构塑性应变，表示艇体结构材料的失效形式。小型快艇耐撞性设计目标之一是追求结构比较小的最大塑性应变。

2 结构耐撞性评价模型

根据结构撞深衡准和结构最大塑性应变衡准，综合考虑两个衡准参数，建立小型艇结构耐撞性归一化评价模型：

式中，X=(x1，x2，…，xi)T为设计变量空间，包括结构尺寸、拓扑形状等参数；为初始设计结构最大撞深；为改进设计后结构最大撞深；为初始设计结构最大塑性应变；为改进设计后结构的最大塑性应变；gi(x)为快艇结构其它约束函数，如结构质量、结构强度等；和分别是设计变量xi的设计下限和设计上限；参数s为目标函数的权重因子，并满足s∈［0，1］，当s＝1时，表示只将结构最大撞深指标定义为优化评价目标，s＝0时表示只将结构最大塑性应变定义为优化评价目标。在文中，取s＝0.5，可得

3 碰撞模型概述

在小型快艇碰撞分析中，分析撞击艇（Striking Ship）船艏与被撞艇（Stuck Ship）舷侧结构的正向垂直的碰撞情景。由于撞击艇艇艏区域结构刚度远大于被撞艇舷侧结构，被撞艇的舷侧被船艏撞击是最危险的形式，撞击艇损失的动能大部分由被撞艇的舷侧结构吸收，因而通常是被撞艇的舷侧结构发生破损。

3.1 结构有限元模型

选取两艘型号相同、排水量约为6.7 t的快艇为研究对象。利用MSC.Dytran程序模拟一艘快艇撞击另一艘快艇舷侧的动态过程，碰撞时的航速为36 kn。在碰撞计算中，撞击艇和被撞艇同时当作变形体来分析，被撞艇的大部分结构均可能在碰撞过程中变形吸能。同时，撞击艇的速度较高、碰撞接触面积所占比例较大。快艇碰撞有限元模型如图1所示。

图1 快艇碰撞有限元模型Fig.1 The collision finite element model of fast boats

对船体周围水动力的影响，采用附连水质量法处理碰撞过程中的流体耦合作用，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加以考虑［14］。当两艘艇发生对中正撞时，撞击艇主要发生进退运动，被撞艇主要发生横漂运动，因此，只需计算横漂运动、进退运动的附连水质量。附连水质量采用Motora经验公式确定，撞击船附连水质量为：

质量赋给水线以下的舷侧外板及船底板上。考虑到船舶的纵移或横移等自由度的附连水质量，采用改变结构密度法来处理，将船壳板材料的密度加大到使船舶结构的质量等于船舶初始结构与附连水质量之和为止。

3.2 材料特性

撞击艇和被撞艇材料均为船用结构钢，其本构模型为线性强化弹塑性材料，材料屈服模型选用双线性模型。其材料力学参数如下：材料密度ρ＝7 800 kg/m3，杨氏模量 E＝2.1×1011Pa，泊松比μ＝0.3，硬化模量 Eh＝2.1×1011Pa，屈服应力 [δ]＝255 MPa。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 εmax＝0.2。材料应变率敏感性按Cowper symonds本构方程进行处理。

3.3 舷侧结构设计

当两小型艇发生侧向对中垂直碰撞时，被撞艇的撞击区域外板向内凹陷比较严重，撞击区域的外板和骨架应力远高于屈服应力，从提高结构耐撞性角度考虑，应加强撞击区舷侧结构的横向刚度。内部骨架如底肋骨和舷侧肋骨的连接处的应力比较大，加强骨架横向刚度是提高小艇耐撞性能的关键。

小艇对结构重量比较敏感，且内部空间有限，在进行艇结构耐撞性的优化时，要求在满足船舶结构强度的条件下，对远离碰撞区的结构进行适当的优化以控制重量；对碰撞区域的舷侧结构形式进行优化设计，以加强横向刚度。在此基础上，修改3种改进型舷侧结构，运用结构耐撞性优化理论，对这4种结构进行评估，分析最优耐撞结构形式。

在艇体结构中，原型艇的结构形式如图2（a）所示；具有改进结构I的小型艇结构形式如图2（b）所示，其在＃3～＃10中的每个肋位新增一组竖直撑材；具有改进结构Ⅱ的小型艇的结构形式如图2（c）所示，其在＃3～＃10中的每个肋位新增一组上斜撑材；具有改进结构III的小型艇结构形式如图2（d）所示，其在＃3～＃10中的每个肋位新增上、下斜撑材各一组。

图2 几种舷侧结构形式Fig.2 Several types of side structures

在3种改进型舷侧结构形式的设计中，同时对远离碰撞区船侧结构的参数进行一定的修改，其目的是满足被撞艇的在结构改进后总质量不超过原型艇的要求。表1为原型艇和各个改进艇的主尺度参数。

如表1中所示，修改后，各改进舷侧结构的艇的质量都比原型艇有所减少，满足结构重量不增加的约束条件。

表1 几种改进艇的主尺度参数Tab.1 Main dimensions of several types of new boats

4 仿真结果及分析

在数值仿真计算中，假设碰撞时艇的吃水状态是相同的，都处于正浮状态。撞击艇以36 kn的速度撞击被撞艇的船舯部分。撞击艇为原型艇，而被撞艇则分别用原型艇、改进结构I型艇、改进结构II型艇和改进结构III型艇。在利用有限元分析程序MSC/Dytran进行数值仿真分析中，总共碰撞计算时间为 0.2 s，计算的步长为2.0×10-9s。

下面分别分析被撞艇结构应力应变、最大塑性应变以及撞深的计算结果。

4.1 应力应变分析

图3所示为撞击艇以36 kn的撞击速度撞向原型被撞艇的被撞艇结构变形图。由图3可知，对于小型快艇结构，在碰撞后的结构变形为整体性变形，船体结构发生总体弯曲变形。结构碰撞区占整个艇的比例比较大。

图3 快艇碰撞变形云图Fig.3 The collision strain of a fast boat

同时，撞击艇在与被撞艇碰撞后，由于碰撞力达到一定峰值后会出现卸载现象，在碰撞的后期阶段，撞击艇的艇艏上移，撞击艇的艇艏和被撞艇的舷侧已经没有接触，向上飞起。此时，撞击艇的一部分已经骑在被撞艇的结构上，对被撞艇形成向下方向的压力。

图4给出了撞击艇的撞击速度为36 kn时，原型结构、改进结构I、改进结构II和改进结构III的被撞艇在最大撞深时舷侧结构的损伤变形情况。

图4 几种舷侧结构最大应变状态Fig.4 The maximum strain of several types of side structures

4.2 结构撞深

撞深表示船舶碰撞过程中被撞艇被压溃的位移，反映了被撞艇的损伤程度，选择最大撞深作为小型艇结构耐撞性的衡量标准。

图5所示为在碰撞过程中，不同舷侧结构的被撞艇在发生碰撞时的结构撞深—时间曲线。由图5可知，初始结构具有最大的结构撞深，而改进结构II具有最小的结构撞深。在结构最大撞深方面，改进结构I和改进结构III都比初始结构有一定的改善。

图5 不同结构形式艇的最大撞深Fig.5 The maximum penetration of different side structures

4.3 结构耐撞性评价

根据对不同舷侧结构的被撞艇进行数值分析，在碰撞区域内，部分结构发生大的变形并超越了弹性范围，结构发生了破坏。

不同舷侧结构的快艇在同一碰撞速度的作用下，将被撞艇的最大结构碰撞力和最大结构撞深进行归一化处理，结合式（1）、式（2）和式（3），可得到不同舷侧结构形式的结构耐撞性参数，见表2。

表2 结构耐撞性对比Tab.2 The comparison of boat crashworthiness

对表2进行分析后可知，相比原结构，改进结构在以下方面均有提高：

1）撞深指标方面，改进结构I，II和III的小型艇的耐撞性有所提高；

2）塑性应变方面，具有改进结构I，II和III小型艇的耐撞性均有所提高，其中改进结构I的小型艇耐撞性提高最多。

综合以上分析数据，改进结构I型的艇耐撞性提高最多，是最佳的结构形式，这主要是加撑材后船侧板架结构能有效地将碰撞外力传递给整个船体结构进而减少舷侧结构的损伤。

5 结 论

本文以小型快艇相互碰撞的舷侧结构损伤为研究对象，开展小型快艇的耐撞性评价模型研究，得出关于小型艇耐撞结构设计的结论：

1）文中以行驶速度为36 kn的小艇为研究对象进行碰撞分析，实际上对于不同的撞击速度，其耐撞性评价模型的评价结果是有所不同的，因此在工程实际中，要综合考虑各种典型的碰撞速度进行相应的处理。

2）在结构最大撞深指标和结构塑性应变指标的归一化处理过程中，对于各个指标权重的处理还需进一步研究，这与两个艇的相对大小、撞击速度和撞击艇艏部的强度定义有关，在这方面还有深入研究的空间。

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