撞击船艏刚度对船体结构碰撞性能影响

胡宗文，刘 昆，王自力

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

随着世界航运业的持续发展，水上交通日益繁忙，船舶碰撞与搁浅事故时有发生，而该种事故往往造成船体结构破损、货物泄漏、环境污染、人员伤亡等灾难性后果[1-2]。目前对船舶碰撞问题研究主要集中在船舶碰撞性能分析与耐撞结构设计两方面[3-4]。两者实际紧密相关，前者为基础，后者为目的。已有基于船舶舷侧结构、船首形状等对船舶碰撞性能开展的大量研究[5-8]，提出夹层板舷侧、CCT型双壳舷侧及新型LPG舷侧等多种耐撞结构[9-11]，很大程度上能提高结构的耐撞性能。对被撞船碰撞性能分析时，一般假设船艏结构刚度远高于舷侧，忽略船艏结构变形，将撞击船艏部简化为理想刚性撞头。对船体局部结构碰撞性能的模型试验较多，Cho等[12]利用钟摆式冲击试验装置对船体加筋板架碰撞性能进行研究，Paik等[13]对船体双壳结构模型进行低速冲击实验，梅志远等[14]利用落锤冲击装置对潜艇单双壳体结构模型进行碰撞冲击试验。以所得碰撞力、损伤变形、能量吸收等碰撞参数均与数值仿真或简化解析公式结果较一致，但此处理方法大多将撞头简化为刚度很大(近似刚性)结构，忽略撞头结构本身变形及吸能能力。亦有在研究碰撞问题时考虑撞击船变形，建立较详细的艏部模型[15-17]，由此会增加计算时间，提高计算难度；因此，选择合理的船艏刚度对船舶碰撞问题研究具有一定现实意义。

为比较撞击船艏部刚度影响，本文采用非线性数值仿真分析技术，模拟159,000 DWT双壳油船被176,000 DWT散货船船艏正撞场景，分别将撞击船艏部选取实际柔性材料及刚性材料，比较被撞结构在碰撞力、损伤变形、能量吸收等撞击参数区别，重点研究撞击船艏部刚度对碰撞性能影响，研究成果可指导碰撞性能分析。

1 碰撞场景

本文碰撞场景选具有球鼻艏的176,000 DWT散货船垂直撞击159,000 DWT双壳油轮，两船主要参数见表1。选两船满载出港工况为计算工况，发生碰撞时垂向相对位置发生在舷侧水平纵桁上，纵向位置选油船舯部舱段中间位置，初始撞击速度取v=10 m/s，见图1。

图1 碰撞场景

表1 碰撞船舶主要参数

2 刚性与柔性船艏撞击对舷侧结构碰撞性能比较

2.1 计算方案及有限元模型

撞击船艏部材料分别采用实际材料及刚性材料，比较实际柔性船艏与简化刚性船艏撞击下被撞舷侧结构损伤机理及能量吸收差别。有限元模型见图2。船用低碳钢密度ρ=7 850 kg/m3，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，屈服应力σ0=235 MPa。当单元等效塑性应变超过定义的极限塑性应变时，单元发生断裂失效。单元材料断裂应变极限值受单元网格尺度影响，据网格大小、材料属性取断裂极限应变ε=0.3[5]。

图2 有限元模型

由于船舶碰撞为具有强非线性瞬态过程，船用钢材在高应变率下具有明显的动力特性，故在材料模型中计及应变率敏感性影响，本文选与实验数据吻合较好的Cowper-Symonds本构方程[18]，即

(1)

2.2 计算结果比较

2.2.1 碰撞力

刚性与实际柔性船艏撞击下碰撞力曲线见图3。由图3发现：与刚性船艏相比，柔性船艏撞击时碰撞力曲线非线性特点更明显；两条曲线趋势基本一致，柔性船艏撞击时碰撞力在每个峰值与谷值均较刚性滞后，且随撞深的增加，滞后现象更明显；实际柔性船艏撞击下碰撞力峰值与极限撞深(对单壳舷侧结构指外板破裂时刻撞击深度，对双壳舷侧结构则指内壳板破裂时刻撞击深度)均有所提高。图中峰值点A、B分别对应两船艏撞击下极限撞深时的碰撞力；由此看出，A点碰撞力较B点高近16 MN，极限撞深增加1.09 m。实际结构船艏撞击下碰撞力与极限撞深的大幅提高，表明将撞击船艏部作为刚性处理相对保守。

图3 碰撞力-撞深曲线

2.2.2 损伤变形

舷侧外板及强框架在两船艏撞击下极限撞深时损伤变形见图4。由图4看出：结构变形损伤模式，舷侧外板为膜拉伸、撕裂，强框架为压皱、面内弯曲及压溃断裂。不同刚度船艏撞击基本未改变碰撞区域构件的损伤变形模式，但变形范围及程度，实际结构船艏撞击下均大很多。

2.2.3 能量吸收

不同刚度球鼻型船艏撞击下舷侧结构吸能曲线见图5。由图5看出，两条曲线基本重合。但因柔性船艏撞击下舷侧结构极限撞深显著增加，极限撞深时舷侧吸能必远高于刚性船艏撞击时所吸收能量。

极限撞深时两船艏撞击下结构吸能情况见表2。由表2看出，① 实际柔性船艏撞击下舷侧各构件所吸能量均大幅增加，可充分发挥各构件吸能能力；② 实际柔性船艏撞击下舷侧结构总吸能高于刚性船艏。前者112.73 MJ，后者仅82.14 MJ，前者超出后者近38%；③ 实际船艏因自身损伤变形所吸能量为29.03 MJ，约占总吸能的20%，损失的动能自然远高于刚性船艏。

图4 不同刚度船艏撞击下舷侧外板、强框架损伤变形

图5 舷侧吸能-撞深曲线

表2 极限撞深时结构吸能

3 撞击船艏部刚度对舷侧结构碰撞性能影响

由以上比较看出，简化刚性船艏与实际柔性船艏撞击下被撞船舷侧结构在极限撞深、碰撞力、损伤变形及能量吸收等方面存在明显差异；因此本文系统研究不同刚度撞击船艏对被撞舷侧结构碰撞性能影响。

3.1 计算方案及有限元模型

由于撞击船碰撞接触区域主要集中于艏部球鼻，故通过改变材料及板厚简化获得4种具有不同刚度球鼻，通过压溃试验获得压皱强度并分别替换原撞击船艏部球鼻撞击原被撞船舷侧结构，通过撞击球鼻不同压溃强度表示不同刚度，撞击位置及撞击参数同第2节。简化球鼻有限元模型及各球鼻参数分别见图6、表3。

表3 不同球鼻材料参数

3.2 不同球鼻压溃强度

3.2.1 压溃强度计算

由于结构轴向受压时响应不稳定，载荷-变形曲线呈现重复形态，轴向总位移大大超过第一峰值载荷对应位置。理论研究常忽略载荷-变形曲线的波动而用其平均值Pm。为避免人为误差，求解Pm时用球鼻变形能除以压溃深度计算平均压溃载荷Pm[20-21]，即

(2)

(3)

3.2.2 不同球鼻压溃强度计算

为计算4个不同材料参数球鼻的压溃强度，用有限元数值仿真方法对球鼻进行压溃实验，计算获得各自平均强度值。球鼻压溃试验[2]照片见图7，实验球鼻固定于刚性平台，通过上下两刚性平台相向运动施加压溃载荷，实时记录该载荷及压溃行程，计算获得球鼻压溃强度。本文采用该方法计算不同刚度球鼻的压溃载荷，利用数值仿真软件建立有限元模型见图8。模型采用刚性重物以较低速度压溃船艏球鼻，刚性墙用4节点四边形板壳单元，重锤用8节点六面体单元，球鼻末端与刚性墙连接。

不同强度球鼻压溃载荷比较见图10，该曲线反映球鼻的动态损伤过程。由图10看出，受重锤冲击时，球鼻响应不稳定，载荷-变形曲线呈现重复的不规则周期变化形态；不同球鼻载荷-位移曲线的峰值不同，随各构件厚度及屈服应力的增大而提高。

船艏球鼻受压溃后动态渐进屈曲过程见图11。由图11看出，球鼻的屈曲为轴对称模式，皱折(屈曲)由上端开始形成，并向下传播，最后变形情况与文献较一致。据式(2)、(3)及载荷-位移曲线，计算获得4个艏部球鼻的等效压溃强度值：球鼻a为1.42 MPa，球鼻b为2.45 MPa，球鼻c为3.58 MPa，球鼻d为5.03 MPa。

图6 船艏模型

图10 不同球鼻压溃强度载荷-位移曲线

图11 船艏球鼻压溃时序变形过程

3.3 球鼻刚度对舷侧结构碰撞性能影响

求出4种球鼻刚度后，将其分别应用于撞击船艏部，研究不同刚度的艏部球鼻撞击对船体结构碰撞性能影响。

3.3.1 极限撞深

不同刚度球鼻船艏撞击下极限撞深随球鼻平均压溃强度变化曲线见图13。由图13曲线看出：① 随平均压溃强度的增加，撞击船刚度越大，被撞船舷侧结构极限撞深逐渐下降，即越易破坏；② 球鼻刚度对极限撞深影响较大，σm=1.42 MPa时撞击船艏部球鼻被严重压溃而被撞船舷侧内板并未破裂，σm=5.03 MPa时极限撞深为2.89 m；③ 球鼻b，c，d的极限撞深相差不大，说明强度增加到一定程度后对船体碰撞性能无明显影响。随强度继续增加，此曲线将接近水平，因此在船艏球鼻刚度相对被撞结构超过一定范围后可作为刚性材料处理。

3.3.2 碰撞力

碰撞力随船艏球鼻压溃强度变化关系曲线见图14。其中不同刚度球鼻的船艏撞击下，极限撞深时碰撞力见图14(a)。由图14(a)看出，随球鼻刚度的增大，碰撞力不断下降，与各自极限撞深密切相关，球鼻刚度越大，其撞击下舷侧结构极限撞深越小，舷侧参与碰撞的构件与区域亦相应减小，极限撞深时碰撞力自然下降。图14(b)为撞深2.8 m时各船艏碰撞力关系，随船艏球鼻刚度的增大，碰撞力不断提高。即相同撞深下，球鼻刚度增大，对舷侧结构的冲击损伤程度更严重，舷侧产生的抵抗力增大，碰撞力提高。

3.3.3 能量吸收

不同刚度球鼻船艏撞击下舷侧结构吸能-撞深关系曲线见图15。由图15看出，随撞击船艏部球鼻的刚度不断增大，相同撞深下被撞船舷侧结构吸能量相应提高。比较图15中4条曲线，除具有球鼻a的船艏撞击时吸能较少外，其余三条曲线变化趋势基本一致，且能量吸收相差不大。此因撞击船艏部刚度不同所致，球鼻a强度最小，在碰撞过程中自身发生严重压溃变形，使舷侧损伤变形相对较小，所吸能量自然较少，随刚度的不断增大，抵抗破坏能力不断增强，舷侧结构损伤变形程度不断增大，其吸能随之提高。由于球鼻b，c，d的刚度相对舷侧结构大很多，舷侧损伤变形程度相差不大，故三条曲线较接近。

不同刚度船艏撞击下极限撞深时被撞船各构件的吸能比较见表4。对球鼻a，因其本身强度较小，撞击时被撞舷侧内板未发生破裂，即未达到极限撞深。

图13 极限撞深随球鼻强度曲线

表4 极限撞深时能量吸收比较

4 结 论

(1) 实际柔性船艏在碰撞过程中不仅参与变形吸收部分能量，且会增大变形损伤范围，使被撞船极限撞深增加，极限撞深时被撞船吸能提高，碰撞力曲线较刚性时非线性更明显，且每个峰值均呈现偏高、滞后特点。

(2) 实际柔性船艏仅在碰撞接触区域发生一定程度变形，在极限撞深时其吸收的能量约为被撞船舷侧结构的20%，且仍完整性保持较好，表明改进撞击船艏部结构也可有效提高船舶碰撞的安全性。

(3) 船艏刚度对舷侧碰撞性能影响具有明显规律性。随船艏刚度的不断增大，极限撞深逐渐下降，碰撞力不断提高，相同撞深下被撞舷侧结构吸能量愈多。

(4) 船艏刚度相对被撞舷侧结构超过一定范围后，被撞舷侧损伤变形程度相差不大，船艏对船体结构碰撞性能无明显影响，船艏可用刚性材料处理。

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