基于极限撞速的渔船舷侧结构耐撞性研究*

廖显庭 王 威 刘成岗 陈炉云

(中国舰船研究设计中心1) 武汉 430064) (武汉大学土木建筑工程学院2) 武汉 430072) (上海交通大学海洋工程国家重点实验室3) 上海 200240)

基于极限撞速的渔船舷侧结构耐撞性研究*

廖显庭1)王 威1,2)刘成岗1)陈炉云3)

(中国舰船研究设计中心1)武汉 430064) (武汉大学土木建筑工程学院2)武汉 430072) (上海交通大学海洋工程国家重点实验室3)上海 200240)

以单壳体渔船的船首-舷侧正碰形式为例，分析了渔船的结构损伤、能量转化及结构变形等碰撞力学特性.提出以提高极限撞速为基础渔船结构耐撞性评价模型，并进行数值计算，提出了增加纵向结构强度可有效改善舷侧结构的耐撞性的设计建议.

极限速度；渔船；耐撞性；评价模型

0 引 言

船舶碰撞是船-船之间在短时间内的巨大冲击现象，是一个瞬态的、强非线性的结构动力响应过程.胡志强等[1]对船舶碰撞机理与耐撞性结构设计进行综述，探讨了影响船舶结构耐撞性的因素.冯清海等[2]从碰撞能量的角度、刘元丹等[3]从结构破坏形式的角度、Wang等[4]从结构材料失效的角度出发分别对船舶碰撞问题开展了研究.

耐撞性结构设计是开展船舶碰撞研究的目标之一.目前，大多数的船舶耐撞性研究是针对被撞船的舷侧结构.Sun等[5-8]以提高结构吸能能力建立了结构耐撞性优化方程，获得了包括使用复合材料在内的结构设计与改进建议.耐撞性指标是船舶结构耐撞性优化的关键.对于耐撞性指标的定义，陈炉云等[9]基于塑性应变衡准和撞深衡准开展了快艇结构耐撞性评价，李俊来等[10]提出通过增加接触摩擦来降低碰撞速度的优化措施.不管从能量角度还是从降低碰撞速度角度出发，其目的都是通过结构的改进达到提高结构吸收能量的能力.基于此目标，提出了以提高船舶结构极限撞击速度的结构耐撞性优化模型，并用数值计算进行了验证.

1 结构耐撞性优化模型

在船舶结构耐撞性设计中，对结构耐撞性实施评价需定义耐撞指标ξ(crashworthiness index)，该指标为船舶结构设计与优化提供理论基础和考核指标.

在船舶结构碰撞中，结构吸能能力表示在某一极限状态下单位质量结构吸收能量的大小，反映了结构材料有效利用率，将其定义为结构耐撞性指标，并写成

(1)

式中：Ed为撞击区结构的吸能量；mc为撞击区结构质量.增加结构质量会影响船舶性能及建造成本，因而通过简单地增加结构质量来提高结构耐撞性具有一定的局限性.

对于确定的船-船碰撞模式，所吸收的能量是由撞击船动能所转化，是撞击速度的函数，即：

(2)

式中：V为撞击船撞速，代入式(1)可写成βc=f(V)/mc.结构吸收能量与撞击船速度呈正相关性(基本与速度的平方关系吻合),因此，如船舶结构具有更好的吸能能力，则表明该结构能承受更高的撞击速度.

同时，被撞船结构最大塑性应变εp(plastic strain)也定义为结构耐撞性指标，并写成

(3)

式中:ε(x)为被撞船船体破坏时的结构塑性应变，表示结构材料失效形式.船舶结构耐撞性设计目标之一是追求结构有比较小的最大塑性应变.

根据结构能量吸收指标和结构最大塑性应变指标，建立渔船结构耐撞性归一化模型

(4)

根据式(4)，结合渔船结构碰撞数值计算，获得耐撞性优化结构.从被撞船角度出发，提高结构耐撞性就能承受更高的撞击速度.对于确定的船-船碰撞模式，存在着一个速度值，即当撞击船的速度超过该值时则被撞船将发生结构破损，将此速度定义为极限撞击速度.

2 耐撞渔船结构概述

选取2艘相同型号渔船为研究对象，分析1艘渔船船艏正撞另1艘渔船船舷结构的碰撞情景.最后，以提高被撞船的极限撞击速度为目标，提出船舶耐撞性结构优化建议.

2.1 渔船基本参数

研究对象是1艘单底、双甲板横骨架式全焊接结构的渔船.基本设计参数：船长L= 53.38m、型宽B=9.80m、型深D=5.00m.排水量为1 419.8t.在渔船32#～71#肋位间布置3个大的货舱，货舱周围结构比较薄弱.

2.2 碰撞工况定义

船-船碰撞工况定义如下：2艘渔船在碰撞时都处于正浮状态且吃水状态相同，此时1艘渔船垂直撞击另1艘渔船的舷侧部位，撞击船的船速为12kn(约6.2m/s).撞击位置在被撞船的40#肋位处.船-船碰撞情景见图1.

图1 船-船碰撞

2.3 材料特性

2艘渔船均采用船用结构钢建造，综合有限元模型网格大小因素，结合文献[11]，结构材料的碰撞力学特性定义如下：线性强化弹塑性材料、材料屈服模型为双线性模型、材料失效准为最大塑性应变.材料力学参数如下：材料密度ρ=7 800kg/m3；弹性模量E=2.1×1011Pa；泊松比μ=0.3；硬化模量Eh=2.1×1011Pa；屈服应力[σ]=255MPa；最大塑性应变εmax=0.34.

2.4 渔船有限元模型

在有限元模型中，单元类型有板单元(板材结构)、梁单元(骨材、支撑等结构)和点单元(集中质量).有限元模型包括77 152个节点、106 756个单元(包括83 852个壳单元、22 902个梁单元和2个集中质量单元).定义柴油机、发电机组为集中质量形式.

渔船外底板与水接触，需考虑附连水质量的影响.结合文献[12]，船舶的纵移或横移的附连水质量可通过Motora经验公式确定，并用变结构密度法进行处理.

3 渔船碰撞数值分析

利用MSC/Dytran程序开展渔船碰撞的数值计算，分析被撞船结构破损、结构变形、能量变化等，数值计算时间约为0.5s.

3.1 被撞船应力云图

数值计算表明，撞击船以6.2m/s的速度撞击被撞渔船，此时被撞船舷侧结构发生破坏.图2为在t=0.1，0.2，0.23，0.3，0.4，0.5s时刻被撞船结构的应力云图.

图2 舷侧结构应力云图

由图2可知，在t=0.23s时，被撞船舷侧结构开始发生了部分破损，图中白色长条部分区域.结构的破损形式为一个肋位处的外板发生撕裂，撕裂区域随时间的增加而增大.

4 结构耐撞性优化

4.1 结构优化模型

由3可知，在撞击速度为6.2m/s时被撞船将发生破坏.通过进一步数值计算，在撞击船以5.9m/s的撞击速度撞击被撞渔船，此时被撞船结构没有破坏，认为此速度为渔船结构极限撞击速度.

为提高被撞船结构的耐撞性，由式(4)可知在确保结构不破坏情况下，控制渔船结构质量条件下，撞击船的撞击速度是关键性指标.此式(4)可写成

Find:X=(x1,x2,…,xi)T∈Rn

(5)

式中：G*优化后结构质量；G0优化前结构质量.

4.2 结构优化形式

在渔船舷侧结构中，需要增加纵向结构强度.基于此理念，在32#～45#的肋位舷侧结构(即3号舱)位置处的侧板上增加2根纵向的T型纵桁，见图3.2根T型纵桁在Z方向的高度分别约为1.9m和3.9m，并与舱壁的水平桁相连接.T型纵桁型号为T8×200/10×100.

图3 结构加强图

舷侧结构在增加T型纵桁后，为满足式(5)的质量控制条件，需将该区域内其他肋骨尺寸定义为设计变量.具体措施是优化型号T8×200/10×100骨材和型号T10×300/12×150骨材的结构尺寸.结合常用骨材型号，可得如下优化结果：型号T8×200/10×100骨材优化成型号T8×160/10×100骨材，型号T10×300/12×150骨材优化成型号T10×250/12×150骨材.通过结构优化后，渔船船体结构总质量基本保持不变.

4.3 优化结构极限撞击速度

对优化后的渔船结构进行碰撞数值分析，当撞击速度为6.2m/s时渔船结构没有发生破损，结构是安全的，耐撞性优化是有效的.

为进一步验证结构优化效果，以0.1m/s的步长逐步增加撞击速度.通过数值计算，被撞船在承受6.4m/s的撞击速度下结构没有发生破坏，而被撞船在承受6.5m/s的撞击速度下结构发生了破坏，认为6.4m/s为优化结构的极限撞击速度.

4.4 被撞船应力云图

图4为结构优化后舷侧结构在6.4m/s撞击速度下t=0.043，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5s时刻的结构应力云图.在t=0.2s时，被撞渔船舷侧结构一部分结构达到了塑性变形状态，但在整个的碰撞计算过程中，被撞渔船的舷侧结构没有出现破损.

由图4可知，在增加了2根T型纵桁且保持总质量不变情况下，渔船舷侧结构没有发生破损撕裂现象，结构能承受更高的极限撞击速度，由5.9m/s增加到6.4m/s.显然，渔船舷侧结构的吸收能量的能力有了提高.

图4 舷侧结构应力云图

4.4 被撞船结构撞深

结构撞深表示船舶在碰撞过程中结构被压溃的位移，直观地反映了被撞船的损伤程度.图5为被撞船舷侧结构在碰撞点处的最大结构撞深曲线.在碰撞后期，撞深有所减小，说明被撞船结构有所反弹.图5中 “初始结构”为优化前受6.2m/s撞击速度下的结构撞深曲线，“优化结构”为结构优化后受6.4m/s撞击速度下的结构撞深曲线.

图5 被撞船撞深随时间的变化曲线

由图5可知，2根撞深曲线最大值基本相等，撞击速度的差异表明结构优化的有效性；从反弹幅度来看，优化后结构反弹性更大，这表明结构具有更好的承受撞击的能力.

4.5 变形能

能量转化曲线反映了碰撞过程中能量的转化情况.在碰撞过程中，撞击船动能一部分转化为被撞船吸收的弹塑性变形能，变形能随碰撞时间的变化，见图6.图6中， “初始结构”曲线为结构优化前受6.2m/s撞击速度下的被撞船结构单位质量变形能曲线，“优化结构”曲线为结构优化后受6.4m/s撞击速度下的被撞船结构单位质量变形能曲线.

图6 变形能随时间的变化曲线

由图6可知，结构优化以后撞击区的结构单位质量吸收能量的能力明显增强，这表明结构优化有效地提高了结构耐撞性能.

结合图5～6，实施结构优化提高了渔船结构的极限撞击速度，使舷侧结构具有更好的耐撞特性.

5 结 论

1) 舷侧结构增加纵向T型梁后，渔船具有更强的耐撞能力，能承受高于6.2m/s的撞击速度(6.4m/s)，提高了船舶的结构安全性；

2) 以最大极限撞击速度为衡准，可有效评价船舶结构的耐撞能力.

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Structural Crashworthiness Analysis of Fishing Vessels Based on Critical Velocity

LIAO Xianting1)WANG Wei1,2)LIU Chenggang1)CHEN Luyun3)

(ChinaShipDevelopmentandDesignCenter,Wuhan430064,China)1)(SchoolofCivilEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)2)(StateKeyLaboratoryofOceanEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)3)

Taking the single broadside structure of fishing vessels as an example, the collision characteristics such as the structure damage, energy transformation and structure deformation are discussed in present article. The structural crashworthiness optimization model is established, in which the safety critical velocity is defined as the objective function. With numerical analysis, the design optimization is carried out. The results show that the longitudinal structure can improve the crashworthiness of the broadside structure.

critical velocity; fishing vessels; crashworthiness; evaluation model

2016-10-28

*南海渔船高效节能设计应用技术研究项目资助(工信部联装2012-542)

U661.42

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.027

廖显庭(1985—)：男，硕士，工程师，主要研究领域为舰船总体设计