SPS 覆层船艏局部加强结构的抗砰击性能仿真分析

田阿利，姚鹏，傅梓轩，赵元帅

江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003

0 引 言

船舶在恶劣海况中航行时，船艏易遭受砰击载荷作用，严重时，还会对船艏局部结构构成威胁［1］，因此，提升船艏在砰击载荷作用下的极限承载能力就显得尤为重要。传统的船艏结构增强思路是通过增加板材厚度来提升其极限承载能力，这种方法虽然一定程度上提高了船艏结构的强度，但同时也增加了船体的总重，降低了船舶运载能力，且不符合节能减排的环保理念。因此，建立一种新型的加强结构，提升船艏在砰击载荷作用下的极限承载能力十分有必要。

Sandwich plate system（SPS）技术是由英国IE公司提出的［2］，之后，英国的IE、德国的BASF 和韩国的大宇造船等公司一直致力于SPS 技术在造船领域的应用研究，旨在替代舰船上传统的加筋板结构。目前，SPS 技术主要应用在船舶制造和桥梁修建等领域。与传统的钢结构相比，SPS 夹层板具有轻质、高比强度、高比刚度、吸能减振、抗爆抗冲击及隔热、隐身等优点，可抵抗船舶突发的冲击、碰撞等剧烈载荷［3-4］。英国的IE 公司与英国劳氏船级社（LR 船级社）以及日本川崎造船公司曾联合设计以SPS 夹层板为基材的艏部结构，用以降低船艏在承受碰撞等冲击载荷作用时的损伤程度［5］。这表明，将SPS 夹层板应用于船艏结构建造中是可行的。采用SPS 夹层板替代传统的钢结构不仅能提升船体的抗冲击性能、减少应力集中，同时，由于SPS 夹层板结构简单，还能实现模块化制造安装，便于施工与维护。

马英华等［3］针对双壳油轮舷侧内、外壳，采用SPS 夹层板进行了改装设计，结果表明，SPS 夹层板结构能够提升船体结构的极限撞深与耐撞性指标。周红等［6］分析了SPS 夹层板在碰撞冲击载荷下的力学行为，指出SPS 夹层板的碰撞性能要优于加筋板架和折叠式夹层板。刘昆等［7］的研究表明，SPS 夹层板对水下爆炸冲击波载荷具有较好的缓冲及卸载效果。黄超等［8］通过数值模拟，验证了SPS 夹层板在舰船抗爆方面的优越力学性能，为提高舰船结构防护设计提供了新的思路。

本文将采用SPS 夹层板用于加强易遭受砰击载荷作用的船艏，以期提升船艏在砰击载荷作用下的极限承载能力。首先，以外飘砰击为计算工况，采用LS-DYNA有限元软件中的任意拉格朗日-欧拉方法（arbitrary lagrangian-eulerian，ALE）方法，建立SPS 覆层船艏砰击有限元模型，然后，分析采用SPS 覆层局部加强的船艏在承受外飘砰击时的动态力学响应特性，用以提升船艏砰击极限承载能力，为实现高性能船舶设计制造提供参考。

1 船艏砰击计算模型

选取某巡逻船的局部船艏作为研究对象，在质量相当的前提下设计SPS 覆层用来替代原钢质船艏外板，形成SPS 船艏的局部加强结构。

依据钢材厚度，将传统的钢质船艏划分为6 个组件，图1 所示为船艏结构划分示意图。

图1 船艏结构划分示意图Fig.1 Schematic diagram of bow structure division

由图1 可知，船艏组件1、组件5 和组件6 组成船艏底板及舷侧外板。钢质船艏组件1、组件5 和组件6 的板材厚度分别为8，10 和12 mm。采用SPS 夹层板替换船艏舷侧外板及底板（即组件1、组件5 和组件6）。《钢夹层板材料船舶结构建造指南》［9］中定义，SPS 夹层板的底板为SPS 夹层板中与船体主要结构组件一侧连接的钢板，顶板为另一侧的钢板，顶板对应于船体外板。SPS 夹层板面板与芯层厚度参考文献［9］中确定的尺寸范围，以提升结构抗冲击性能为目标设计其厚度。SPS夹层板的面板、芯层替换参数如表1 所示。

SPS 覆层船艏与钢质船艏的总质量分别为127 363 和127 820 kg，质量偏差在1%以内。

1.1 SPS 船艏有限元模型

外飘砰击三维船艏有限元模型如图2 所示。船艏初始吃水为4.5 m，初始垂向速度为10 m/s。在计算分析中，建立考虑航速的三维船艏模型能够更真实地反应船艏外飘砰击过程［10］，因此，将船艏初始航速设置为15 kn。

表1 SPS 覆层船艏各组件结构尺寸参数Table 1 Structural dimensions of SPS-clad bow components

图2 船艏外飘砰击有限元模型Fig.2 Finite element model of bow under flare slamming condition

船艏总体结构较复杂，采用层合板建模法可以满足一般精度，极大地提高计算速度［3］，因此，本文船艏采用层合板模型实现建模。流体（水域与空气域）采用Solid 164 单元建模，空气域与水域采用ALE 多物质耦合算法。

由图2 可知：模型细化了靠近船艏外飘砰击区域（接触区）的网格，其他区域网格则采用非均匀方式划分。在兼顾计算精度与计算效率的情况下，将接触区域内的网格尺寸设为0.2 m×0.2 m×0.2 m，空气域模型尺寸为35 m×30 m×15 m，水域的模型尺寸为35 m×30 m×10 m。

由于流固耦合数值计算成本较高，为避免边界波反射影响求解结果，对流体域施加无反射边界条件来模拟无限大的空间。

1.2 参数设置

钢质船艏钢板与SPS 夹层板面板的材料均为DH36 钢，SPS 夹层板芯层材料为聚氨酯，2 种材料的具体参数如表2 所示。考虑到材料的应变率敏感性影响，本文采用Cowper-Symonds 本构模型描述DH36 钢［11］的应变率效应。

使用关键字*PART_COMPOSITE 定义SPS 夹层板面板与芯层的材料与厚度。

空气域与水域的材料参数由关键字*MAT_NULL 定义。空气域采用线性多项式Poly⁃nomial 状态方程，密度为1.25 kg/m3，由关键字*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 定义，状态方程参数C4，C5均 为0.4［12］。水 域 采 用Gruneisen 状 态 方程，密度定义为1 000 kg/m3，由关键字*EOS_GRU⁃NEISEN 定义，材料声速为1 480 m/s，伽马率系数GAMAO 为0.35。

表2 SPS 夹层板面板及芯层的材料参数Table 2 The material parameters of SPS

2 SPS 覆层船艏抗砰击性能

2.1 SPS 覆层船艏吸能特性

比吸能（energy absorption coefficient，EAC）是指吸能构件单位质量所吸收的能量［8］，是衡量结构物抗冲击性能的重要指标。

图3 所示为2 种船艏模型总体比吸能变化对比曲线。由图可知：在外飘砰击载荷作用下，SPS覆层局部加强船艏的比吸能曲线与钢质船艏的变化趋势一致，但SPS 覆层船艏的总体比吸能明显优于传统钢质船艏。在砰击载荷作用的初始时间段，即t=0～9 ms 时刻，船艏的比吸能值迅速提升，其中SPS 覆层船艏的比吸能局部峰值为8.75 J/kg，钢质船艏的比吸能局部峰值为7.26 J/kg。在t=9 ms之后，船艏的比吸能继续提高，直到在t=70 ms达到峰值时比吸能才逐渐缓慢下降。钢质船艏的总体比吸能峰值为8.48 J/kg，SPS 覆层船艏的总体比吸能峰值为10.02 J/kg，与钢质船艏相比，SPS 覆层船艏的总体比吸能峰值提升了18.2%，这表明SPS 覆层船艏在砰击载荷作用下的吸能效果稳定，且显著优于钢质船艏。

图3 船艏总体比吸能对比Fig.3 The overall EAC comparison of bow

图4 所示为2 种船艏模型不同组件（以组件1与组件5 为例）的比吸能变化对比曲线。由图可以看出，SPS 覆层船艏与钢质船艏外板同一组件的吸能曲线其变化趋势一致。与钢质船艏相比，采用SPS 夹层板替换后，船艏外板组件1 与组件5的吸能效果有明显的提升。

图4 船艏组件比吸能变化Fig.4 The EAC variation of bow components

表3 给出了SPS 覆层船艏和钢质船艏各组件与总体结构的比吸能对比结果。从表中可以看出，SPS 覆层船艏局部加强结构的总体及外板组件的比吸能值均高于传统的钢质船艏结构。其中：SPS 覆层船艏局部加强结构的总体比吸能峰值比钢质船艏高18.2%；主要吸能组件中，组件1的吸能提升比例最高，达到了41.3%。这说明采用SPS 夹层板替代船艏外板后，SPS 覆层船艏外板成为主要的吸能组件，能够有效保护内部结构。

表3 船艏各组件比吸能对比Table 3 The EAC comparison of bow components

从船艏内部组件2 的对比结果可以看出，SPS覆层设计船艏内部结构组件2 的比吸能峰值与钢质船艏相比降低了16.5%，这表明采用SPS 夹层板替代船艏外板后，砰击载荷对船艏内部结构的冲击减小了，船艏内部结构能够得到有效的保护。

由于船艏主要承受外飘砰击载荷作用，而组件6 主要构成船艏底部，所以SPS 覆层船艏底板组件6 的比吸能提升较少，仅为2.2%，而SPS 覆层船艏舷侧内部组件3 的吸能峰值增幅达48.4%，这表明采用SPS 夹层板替换船艏外板后，船艏内部结构的吸能效果受砰击载荷作用区域的影响较大，船艏总体结构的吸能效果有较大提升。

通过对比2 种船艏模型的比吸能值可知，采用SPS 覆层结构实现船艏局部加强，能够有效提升船艏在砰击载荷作用下的吸能效果，且能有效保护内部结构的安全。

2.2 SPS 覆层船艏应力、应变分析

2.2.1 SPS 覆层船艏外板应力、应变

图5 所示为钢质船艏与SPS 覆层船艏外板砰击中心单元的等效应力时历曲线。由图5 可知：SPS 覆层船艏与钢质船艏外板的应力变化趋势相同，当砰击载荷作用于船艏外板时，外板的砰击应力迅速达到峰值。由于船体结构与流体的耦合作用，应力曲线不断振荡。在t=9 ms 时刻，钢质船艏外板中心单元的应力峰值为163 MPa；在t=8 ms 时刻，SPS 夹层板底板的应力达峰值232 MPa，SPS 夹层板顶板的应力峰值为297 MPa。

图5 船艏外板砰击中心单元应力时历曲线Fig.5 Stress time histories of bow plates at slamming center

依据《钢质海船入级规范》［13］，对船艏舷侧砰击中心单元的许用应力进行校核。舷侧外板许用应力计算公式为σe=220/K，其中σe为许用应力，K为材料系数，DH36 钢的材料系数K=0.72。经计算，可得砰击中心单元的许用应力为305 MPa。在砰击中心单元处，SPS 夹层板顶板与钢质船艏外板的应力峰值均在许用范围内，未发生失效。SPS 夹层板与钢质船艏外板的应力峰值均小于DH36 钢材的屈服应力，未出现塑性变形。

图6 给出了外飘砰击工况下钢质船艏与SPS覆层船艏外板的极限应力时历对比曲线，船艏外板的极限应力值出现在艏柱部位。由图6 可知：在砰击载荷作用下船体外板会出现瞬时高应力，随后，应力迅速降低。在外飘砰击载荷作用下，SPS 覆层船艏与钢质船艏外板的极限应力变化趋势相近。在t=2 ms 时刻，钢质船艏外板与SPS 覆层船艏外板的应力达到峰值，其中钢质船艏的极限应力值为613 MPa，SPS 夹层板顶板与底板的极限应力值分别为610 和587 MPa。SPS 夹层板顶板的极限应力值与钢质船艏外板的极限应力值几乎相同，而SPS 夹层板底板的极限应力值与钢质船艏外板的应力值相比则略有下降，降幅为4.2%。SPS 夹层板具有缓冲砰击载荷的作用，能够降低与船艏内部结构连接的底板的极限应力值。

图7 所示为钢质船艏与SPS 覆层船艏外板的极限塑性应变时历对比曲线。由图可知：SPS 覆层船艏与钢质船艏的最大塑性应变相近。在t=12 ms 时刻，钢质船艏外板与SPS 覆层船艏顶板和底板的等效塑性应变达到峰值，其中钢质船艏外板的最大塑性应变为0.013 8，SPS 夹层板顶板与底板的最大塑性应变分别为0.012 6 与0.009 9，均未达到DH36 钢材的最大失效应变0.1。与钢质船艏外板相比，SPS 夹层板顶板与底板的最大塑性应变降幅分别为8.7%和28.3%，这表明在外飘砰击工况下，采用SPS 夹层板实现船艏外板的替换能充分发挥SPS 夹层板的减振吸能效果，降低夹层板底板的最大塑性应变，提高船艏的极限砰击载荷承载能力。

图7 船艏外板极限应变时历曲线Fig.7 Ultimate strain time histories of bow plate

2.2.2 SPS 覆层船艏板架应力、应变

图8 所示为船艏内部组件2 的测点示意图，图中所示测点与外板砰击中心单元位置相近。

图8 船艏板架测点示意图Fig.8 Schematic diagram of frame measuring points at bow

图9 所示为SPS 覆层船艏和钢质船艏内部组件2 中测点A 与测点B 处的应力时历对比曲线。

由图9（a）可知：在t=1 ms 时刻，SPS 覆层船艏与钢质船艏测点A 处的应力峰值分别为205 和238 MPa。采用SPS 覆层结构加强船艏外板，船艏内部板架测点A 处的应力峰值降幅为13.9%，这表明采用SPS 夹层板替换船艏外板后能够缓冲砰击载荷，降低内部结构的应力峰值，SPS 覆层船艏与钢质船艏相比在靠近砰击中心区域的内部测点处结构更为安全，极限砰击承载能力更强。

依据规范［13］对船艏内部测点A 进行强度校核，测点A 处的许用应力校核公式为σe=195/K，计算出测点A 处的许用应力为267 MPa。SPS 覆层船艏与钢质船艏内部测点A 处的应力峰值均在许用范围内，未发生塑性变形。

由图9（b）可知：在测点B 处，SPS 覆层船艏的应力峰值为457 MPa，钢质船艏的应力峰值为466 MPa。测点B 位于舷侧肋骨处，直接与船艏外板连接，承受船艏外板传递的砰击载荷作用。由于砰击载荷作用于船艏外板的时间较短，不能充分发挥SPS 外板减振吸能的特性，因此在测点B处，SPS 覆层船艏的应力峰值与钢质船艏外板比较接近。

与钢质船艏相比，SPS 覆层船艏在测点A 与测点B 处应力达到峰值后，应力的下降速度会更快，降幅更为明显。这表明在极端砰击工况下，SPS覆层船艏内部结构的安全性要高于钢质船艏。由于船艏外板的缓冲砰击载荷作用，砰击载荷对内部组件的影响较小，所以2 种船艏模型在船艏内部组件测点B 处的塑性应变均远小于0.1。

在外飘砰击工况下，船艏内部组件4 的极限应力值出现在组件4 中横梁与中纵剖面交点处。图10 所示为SPS 覆层船艏与钢质船艏内部组件4的极限砰击应力时历对比曲线。

由图10 可知：2 种船艏模型的极限应力变化趋势一致；由于组件4 离船艏外飘砰击中心区域较远，因此其应力峰值未在砰击载荷作用于船艏的瞬间出现。在t=28 ms 时刻，钢质船艏模型在该测点处的应力峰值为578 MPa；在t=29 ms 时刻，SPS 覆层船艏模型在该测点处达到应力峰值，其值为510 MPa。与钢质船艏相比，SPS 覆层船艏在该点处应力峰值的降幅为11.8%。SPS 覆层局部加强船艏的内部组件4 在极限砰击载荷作用下，其应力峰值明显小于钢质船艏，这说明SPS 覆层船艏的外板组件在提升船艏总体吸能效果的同时，还能降低内部结构的应力幅值，进一步提升内部结构安全性。

图10 船艏内部组件4 极限砰击应力时历曲线Fig.10 Ultimate slamming stress time histories of bow internal component-4

图11 所示为SPS 覆层船艏与钢质船艏内部组件4 的极限砰击应变时历曲线。由图中可知，在t=0～40 ms 时刻，钢质船艏与SPS 覆层船艏的极限塑性应变分别为0.001 7 与0.002 2，SPS 覆层船艏内部组件4 中的塑性应变峰值与钢质船艏相比有所上升，增幅为22.7%。可见，2 种船艏模型的极限等效应变均较小，远未达到DH36 钢材的最大塑性失效应变。

图11 船艏内部组件4 极限砰击应变时历曲线Fig.11 Ultimate slamming strain time histories of bow internal component-4

上述结果表明，采用SPS 夹层板替换钢质船艏外板能够有效降低船艏外板的最大塑性应变。与传统钢质船艏比，SPS 覆层船艏内部结构的极限应力值更小，2 种船艏模型内部组件的最大变形相近且远小于钢材最大塑性应变失效值。

3 结 论

本文通过对比传统钢质船艏，分析了SPS 覆层船艏局部加强结构的抗砰击性能，研究了SPS覆层船艏的吸能特性，主要研究结论如下：

1）在外飘砰击工况下，采用SPS 夹层板等质量替换传统钢质船艏外板能使船艏总体比吸能提升18.2%，提高了船艏主承载组件的吸能效果，减弱了砰击载荷对船艏内部结构的冲击作用。

2）船艏结构在承受外飘砰击载荷作用时，船艏外板最先出现瞬时高应力。SPS 覆层船艏与钢质船艏外板的极限应力值相近，而SPS 夹层板的顶板与底板的极限塑性应变下降明显，这表明采用SPS 覆层局部加强结构能够提升船艏结构的安全性。

3）SPS 覆层局部加强船艏的内部结构在外飘砰击工况下的极限应力峰值与传统钢质船艏相比有小幅的降低，而极限塑性应变则略有增大，但2 种船艏模型内部结构的最大变形均较小。可见SPS 覆层局部加强船艏的整体抗砰击性能要优于传统钢质船艏。