基于钢夹层板（SPS）的FPSO舷侧耐撞性能分析

严锋 李艳贞

摘 要：钢夹层板系统（SPS）具有质量轻、强度高的优点，能有效提高船舶的耐撞性能。本文使用ANSYS/LS-DYNA软件，采用复合材料模型，对于一艘5000吨工作船撞击30万吨级FPSO舷侧的动态过程进行了数值计算，并研究了SPS系统参数对耐撞性能的影响。计算结果表明，SPS结构能有效提高船舶的耐撞性能。

关键词：钢夹层板；船舶耐撞性；船舶非线性碰撞分析

中图分类号：U661.4 文献标识码：A

1 前言

FPSO常年系泊在海上作业，需要工作船经常为其输送燃料、淡水及其他生产、生活所需的各种物料。由于两个物体都在漂浮状态下近距离作业，相互碰撞的几率很高，尤其是单壳油轮，万一发生碰撞，极有可能发生原油泄漏，造成严重的环境污染。因此，有必要在 FPSO装卸区域安装保护装置。

SPS结构是IE和Elastogran公司合作研制的新型夹层板构件系统，由两层钢板及中间的高分子芯材组成。它具有强度高、质量轻、抗冲击、耐疲劳、减震等优点，如今在船舶及海洋工程方面运用得越来越广。KITAMUR提出了骨架板和波纹板结构[1]；王自力、张延昌提出了两种夹层结构蜂窝式和折叠式夹层板结构[2]；美国海军开展了SPS的物理性能、设计参数和生产技术等方面的研究工作[2]。

本文对一舷侧带有SPS防撞装置的FPSO的防撞性能进行了研究，评价了SPS装置的防撞性能。

2 计算方法及分析模型

2.1 计算方法

船舶碰撞是在极短时间内，在巨大瞬态载荷作用下的一种强非线性动态响应过程。船舶碰撞仿真主要有三种方法：附连水质量法、等效船体梁法[3]和流固耦合法[4]。其中流固耦合法精度最高，但所需的计算机资源也最多；附连水质量法与等效船体梁法虽然计算精度不及流固耦合法，但所用的计算机资源少。本文采用附连水质量法及分析计算碰撞发生的整个过程。

2.2 分析模型

为了简化计算，本文引用以下几点假设：

（1）一般而言，船首刚度远大于被撞船舷侧部分刚度，因此假设撞击船为刚体，仅建立首尖舱部分的模型，船体质量与附连水质量折算到首部密度中，保证撞击初始动能与整船一致；

（2）由于撞击船与FPSO质量相差较大，而且碰撞是一个短暂的过程，FPSO运动与其局部变形相比有着滞后性[5]，因此模型只包括一个舱段的舷侧部分，且不考虑FPSO的附连水质量。在舱段两端取固定边界条件，有限元模型如图1所示。

图 1 计算有限元模型

2.3 材料本构模型

合理选择结构材料的本构关系是碰撞分析中的重要内容。为了更真实地反应材料特性，本文对非SPS部分的碰撞区如强框架、舷侧纵桁等采用了随动塑性模型，应变率用Cowper-Symonds模型来考虑，其本构方程为：

σy =[1+ ]（ σ0+βEpεpeff） （1）

式中：σ0为初始屈服应力；ε为应变率；C和P为Cowper-Symonds应变率参数；εpeff为有效塑性应变；Ep为塑性硬化模量，由下式给出：

Ep=

E为弹性模量；Etan为切线模量。

对SPS外板采用LS-DYNA的复合板模型，其材料参数如表1所示。

表1 材料参数

2.4 接触算法

本计算对船-船部分采用面-面接触算法，对FPSO本身采用自动单面接触算法。对FPSO碰撞区网格大小为200×200 mm，对撞击船网格大小为50×50 mm。当碰撞区单元失效后，程序会自动删除，形成破损区。

3 数值仿真计算结果及分析

假定工作船的碰撞初速度为2 m/s， FPSO无初始运动。考虑到最危险的碰撞情景，撞击点位于纵向和垂向强框架中间，撞击角度为90°，即垂向撞击FPSO舷侧。本文对以下几种工况进行了计算（见表2），其中工况1中为无SPS防撞装置，工况2为有SPS防撞装置。

表2 计算工况

3.1 最大应力

图2为工况1无SPS防撞装置的舷侧外板最大应力云图，其舷侧外板最大应力为480.2MPa；图3为工况2有SPS防撞装置的舷侧外板最大应力云图，其舷侧外板最大应力为459.7 MPa。由此可见，SPS装置降低了FPSO舷侧结构由碰撞产生的应力。

图2 工况1最大应力云图

图3 工况2最大应力云图

3.2 能量吸收

图4为工况1和工况2舷侧外板能量吸收随撞深变化的曲线。由图中可以看出，在撞深为0.35 m时，有SPS时FPSO舷侧外板吸收的能量为1.45×106J，而普通舷侧外板吸收的能量为1.15×106J ，吸收能量增加了26%，这说明SPS装置显著提高了FPSO的耐撞性。

图4 舷侧外板能量吸收随时间变化的曲线

图5 碰撞力-撞深曲线

3.3 碰撞力和撞深

图5为工况1和工况2的碰撞力-撞深曲线。碰撞力随撞深的变化曲线可以反映出结构的碰撞刚度，以及撞击船的位移和碰撞力的大小。从图中可以看出，两种工况下碰撞力的变化趋势基本上一致，在碰撞的初始阶段，随着撞深的增加，碰撞力逐渐增大，在碰撞中间阶段，碰撞力平缓发展，而在碰撞结束时刻，碰撞力近似线性地卸载。从图中得知，与普通舷侧结构相比，SPS夹层板的碰撞力由1.63×107 N增加到1.75×107 N，最大撞深从0.56 m减小到0.49 m，这是因为SPS夹层板由两层钢板及中间芯层构成，增加了结构的强度和刚度，因而增加了结构的抵抗力，使得碰撞力增加、撞深减小，从而提高了结构的耐撞性。

4 结论

利用非线性有限元动力仿真程序LS-DYNA计算了FPSO舷侧遭受5 000 t工作船侧向撞击时的动力响应过程，比较了SPS装置对FPSO舷侧抗撞性能的影响，得到了以下结论：

（1）在同样的碰撞条件下，SPS装置降低了舷侧外板的碰撞应力；

（2）碰撞力——撞深曲线是一条非线性曲线，在碰撞的初始阶段，随着撞深的增加，碰撞力逐渐增大，在碰撞中间阶段，碰撞力平缓发展，而在碰撞结束时刻，碰撞力近似线性地卸载；

（3）撞深相同时，有SPS装置时FPSO舷侧外板吸收的能量比普通舷侧外板吸收的能量增加了26%，这说明SPS装置显著提高了FPSO的耐撞性；

（4）SPS装置增加了FPSO舷侧结构的强度和刚度，因而增加了结构的抵抗力，使得FPSO舷侧外板碰撞力增加、撞深减小，从而提高了FPSO舷侧结构的耐撞性。

参考文献

[1]KITAMURAO.Comparative study on collision resistance of side structure [J].

Marine Technology， 1998 .

[2]张延昌，王自力，罗金，罗广恩.基于蜂窝式夹层板FPSO结构直接设

计.第四届全国船舶与海洋工程学术会议论文集.[C].第四届全国船舶与

海洋工程学术会议.2009.

[3]王自力，顾永宁.船舶碰撞数值仿真的一种组合模型.[J]华东船舶工业学

院学报，2001.

[4] 王自力，顾永宁. 船舶碰撞动力学过程的数值仿真研究.[J].爆炸与冲

击，2001.

[5]江华涛，顾永宁 .整船碰撞非线性有限元仿真.[J].上海造船，2002..