砰击载荷作用下船用铝合金板架瞬态动力响应分析

孙云浩 张少雄 卢清亮

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (海军工程大学舰船与海洋学院2) 武汉 430033)

0 引 言

铝合金具有很多优良的特性，如密度低、比弹模量大、比强度高[1-2]，铝合金质船相比钢质船质量可减轻15%以上，因此，铝合金是建造高速舰船的理想材料.对于高速舰船，砰击造成的船体损坏越来越引起人们的关注.砰击现象是船舶在航行过程中波浪撞击产生的，砰击严重时，船上仪器设备将不能正常使用，甚至对船体结构造成损坏[3].历史上因为砰击造成的海难很多，如爱沙尼亚号滚装船舱内进水失事、彼弗特海域一条7万t级散货船首甲板断裂等[4].随着铝合金在越来越广泛的用于建造高速舰船，为了更好的评估铝合金质船体结构的安全性能[5]，针对砰击问题开展相关研究是有必要的.

船舶砰击是一个复杂水动力问题，具有很强的非线性[6]，目前主要的研究手段有理论解析、数值计算和试验.Wanger[7]提出的楔形体入水理论，王辉等[8]对船舶首部的砰击压力进行了仿真计算.但理论解析与仿真引入了很多前提条件，得到的计算结果与实际结果存在较大差异.在对船舶的砰击问题进行研究时，开展实船试验是目前最直接、可靠的研究手段，但通过试验得到砰击载荷一般具有较强的非线性.在对船体结构的砰击响应计算时，若直接施加真实砰击载荷计算时间过长，有必要对真实的砰击载荷进行简化处理，得到与真实载荷作用下结构动态响应过程及结果相近的简化载荷.为此，运用有限元分析软件PATRAN/NASTRAN，仿真计算了两种船用铝合金板架在真实砰击载荷、基于6关键点简化载荷、三角形载荷作用下的动态响应过程，进行比较分析，可为试验载荷处理及设计砰击载荷提供参考.

1 计算模型的建立

1.1 板架模型

图1 两种板架模型

1.2 砰击载荷参数

取某次试验中测得的砰击载荷为真实载荷，见图2，砰击作用时间为0.22 s，单个峰值作用时间为0.11 s.

图2 砰击载荷

为将砰击作用下板架的响应计算进行简化，基于真实载荷的6个关键点简化得到载荷2.在作用时间及载荷冲量与载荷2相等的条件下，取三角形载荷作为载荷3.为对比增大载荷峰值与加大作用时间哪个对板架响应峰值影响更大，将载荷3的载荷峰值增大2倍，得到载荷4，将载荷3的作用时间增大至0.44 s，得到载荷5.并分别比较了在载荷3～5作用下板架的响应情况，分析了载荷参数对结构响应的影响.

1.3 计算参数

在仿真计算中，需要注意应变率效应和阻尼效应这两部分的参数设置，本文采用理想弹塑性本构模型，材料的应变率效应由Cowper-Symonds模型描述，动态屈服强度σd为

(1)

由试验得到5083铝合金在不同应变率下的屈服应力，见图3.

图3 5083铝合金在不同应变率下的屈服应力

因此，5083铝合金对应的Cowper-Symonds模型的参数为D=24 123 s-1，n=2.3.

另外，在阻尼方面，砰击载荷瞬时作用的过程中，黏性阻尼的产生的影响很小，结构阻尼主要为材料阻尼.文中取结构阻尼为0.002，将此阻尼转换为f=20 Hz的等效黏性阻尼，转化系数k=2πf.

2 真实砰击载荷作用下不同板架的响应分析

运用PATRAN/NSTRAN软件对铝合金板架在真实砰击载荷作用下的瞬态响应进行了仿真计算，时间步长为0.002 s，计算总时间为0.3 s，将真实砰击载荷作为输入载荷，对两种板架的响应结果进行比较分析.

2.1 特征点的选取

通过有限元仿真计算，得到真实载荷作用下0.2 s时的两种板架的变形情况见图4.

图4 真实砰击载荷作用下的两种板架的变形情况

由图4可知，两种板架最大变形均在出现在中部板格的中心位置，在对板架的变形情况进行分析时，分别取两种板架最大位移处节点作为特征点(纵骨架式板架变形特征点记为A1点，横骨架式板架变形特征点记为A2点)进行分析.

真实载荷作用下0.2 s时的两种板架的应力情况见图5.

图5 真实砰击载荷作用下的两种板架的应力情况

由图5可知，两种板架最大应力均出现在板架边界约束的位置.为消除边界条件的影响，取远离边界约束处的板架中心为分析区域，中心区域范围取为900 mm×500 mm，取该区域的两种板架结构出现最大应力的单元作为特征点(纵骨架式板架变形特征点记为B1点，横骨架式板架变形特征点记为B2点)进行分析，其中，横骨架式的特征点选择在中间横肋板与外板的连接处，纵骨架式的特征点选择在靠近肋骨位置的纵骨腹板上.

2.2 变形仿真结果分析

在真实载荷作用下，两种板架特征点的变形和应力随时间变化情况见图6.

图6 真实载荷作用下两种板架的响应

由图6可知，在真实载荷作用下，两种板架的变形和应力响应随时间的变化规律与载荷形式一致，均在0.2 s发生最大变形和产生最大应力，载荷作用结束后，变形和应力曲线继续随时间震荡变化.纵骨架式板架和横骨架式板架的最大变形分别为1.60和1.78 mm，最大应力分别为42.3和67.1 MPa.与横骨架式板架相比，纵骨架式板架最大变形小10.1%，最大应力小41.4%，且载荷作用结束后，纵骨架式板架的震荡幅度小，衰减更快.综合以上可以判断，材料质量相近的情况下，与横骨架式板架相比，纵骨架式板架受砰击载荷影响较小.

3 板架对不同载荷的响应分析

在真实砰击载荷下，纵骨架式板架具有最好的抵抗砰击的能力.将1.2中的另外四种砰击载荷分别施加到纵骨架式板架上，计算步长仍取为0.002 s，计算总时间为0.3 s，提取在不同砰击载荷作用下A1点的变形结果和B1点的应力结果，并进行分析.不同砰击载荷作用下，A1点的变形和B1点的应力情况见图7.

图7 不同砰击载荷作用下的纵骨架式板架响应

由图7可知，在不同砰击载荷作用下，板架输出的变形响应、应力响应各异，但无论是结构的变形或是应力变化，均与施加载荷的变化规律保持一致.选取结构的变形情况进行分析，见图8.

图8 不同砰击载荷作用下纵骨架式板架最大变形

由图8可知，真实载荷作用下板架的最大变形为1.60 mm，与之相比：载荷2作用下板架的最大变形为1.65 mm，相差3.13%；载荷3作用下板架的最大变形为1.49 mm，相差6.88%；载荷4作用下板架的最大变形为2.99 mm，相差86.88%；载荷5作用下板架的最大变形为1.49 mm，相差6.88%.

由图7中结构响应曲线及以上分析可知，基于6关键点简化得到的载荷2与真实载荷所得到的结构响应基本一致，基于关键点简化可以作为复杂砰击载荷的一种简化方法.载荷峰值是影响结构的响应峰值的主要因素，在实际航应减少长时间大砰击峰值的工况出现，即在航行中应减少在恶劣海况下的航行次数，进而减少砰击引起的船体结构的损害.

4 结 论

1) 材料质量相近的情况下，与横骨架式板架相比，纵骨架式板架受砰击载荷影响较小.

2) 基于若干关键点进行简化可以作为复杂砰击载荷的一种简化方法.

3) 结构响应随时间的变化与施加载荷的变化规律保持一致，载荷峰值是影响结构的响应峰值的主要因素，在实际航行中应减少在恶劣海况下的航行次数，以减轻砰击对船体结构造成的损害.

参考文献

[1] 高宁,朱志武.5083铝合金宽应变率实验与基于损伤的本构模型研究[J].高压物理学报,2017(1):51-60.

[2] MARCIN C，STANISZEWSKI B.Simulation of tri-axially braided composites half-cylinder behavior during balistic impact[J].Anesthesiology,2007,94(5):790-792.

[3] 戴仰山,沈进威,宋竞正.船舶波浪载荷[M].北京：国防工业出版社,2007.

[4] 窦义哲.40 m游艇船艏砰击压力有限元分析[D].厦门：集美大学,2014.

[5] ROBERT K,GOLDBER G,BRINA J,et al.Modification of a macromechanical finite element-based model for impact analysis of triaxially braided composites[J].Journal of Aerospace Engineering,2012,25(3)：383-394.

[6] 任慧龙,翟帅帅,于鹏垚,等.砰击载荷作用下船艏结构瞬态响应研究[J].中国舰船研究,2013(6):14-19.

[7] WAGNER H. Über stoβ- und gleitvorgänge an der oberfläche von flüssigkeiten[J]. Zeitschrift Für Angewandte Mathematik And Mechanik, 1992,12(4):193-215.

[8] 王辉, 朱云祥.Ro-Ro船首门砰击载荷设计值的确定[J].船舶力学,2003,7(1):46-55.