鱼鳞状结构在船舶抗冰撞能力上的应用

吴晨飞，桂洪斌

(哈尔滨工业大学（威海）船舶与海洋工程学院，山东 威海 264209)

0 引 言

近些年，随着全球气候变暖，北极的冰盖正在逐年减小，可供船舶航行的北极航道也随之出现。但是，北极附近的海域仍然会有着大量的浮冰，在这种区域航行的船舶不可避免地与冰发生碰撞，因此提升船舶结构的耐撞性尤为重要。

国内外学者进行了很多加强结构耐撞性的研究。王海亮等[1]建立了薄壁构件，该构件具有良好的结构耐撞性，通过试验建立响应面模型，并用Pareto 遗传算法进行耐撞性优化设计。苏巍等[2]研究船冰载荷下横骨架式和纵骨架式2 种船体结构耐撞性能，探究2 种结构的优劣，在船舶总质量改变不大的前提下，通过合理布置横骨材、纵骨材的数量及尺度，采用混合骨架提高舷侧耐撞性。姜金辉等[3]基于IFP 构建了单壳舷侧结构，并通过仿真分析证明IFP 可以显著提高船舶的侧向抗撞能力。Alan Brown 等[4]运用一个简化的碰撞模型，优化设计油轮结构，使其具有更好的耐撞性能。

对于这些常年需要在冰区航行的船舶，必须加强其抗冰撞击能力保证安全。本文没有通过优化设计船舶的结构提高船舶的耐撞性能，而是提出一个大胆的构想：在船舶可能与冰发生碰撞的部位的外侧，附加上一层仿鱼鳞的防撞结构，从而提高船舶抗冰撞击能力。

1 鱼鳞防撞结构在船舶应用的构想

1.1 构想来源

首先，生活中汽车一般都装有保险杠，在与其他车辆发生碰撞或者撞到其他障碍时，可以吸收和缓和外界的冲击力、防护车身、保护车上人员的安全，那么船舶也可以拥有它自身的保险杠来缓和冰的碰撞。

其次，古代文明就广泛出现鳞甲这种铠甲了，这是由于古人通过观察鱼类等带有鳞片的动物从而获得灵感。古人受当时科技的影响，显然鳞甲所用的材料相当简单，一般为单一的金属，但是，鳞甲在当时也已经可以很好抵御冷兵器带来的冲击，意味鱼鳞这种结构有相当好的抵御冲击的能力。

综合上述两点，本文从中得到灵感，在船舶满载水线的位置，附加上一层鱼鳞结构，充当保险杠的作用，来抵御和缓和冰的碰撞带来的冲击。

1.2 鳞片结构的特点

1）单片鱼鳞抗冲击能力

为了研究鳞片具有抗冲击能力，Meyers M.A 等[5]运用食人鱼的牙齿对巨骨舌鱼的鳞片进行戳穿试验。试验中，食人鱼牙齿发生断裂，而对巨骨舌鱼的鳞片并没有被戳穿，这意味着鳞片可以抵抗牙齿的咬合作用，有较好的抗冲击能力。段婷婷等[6]对鱼鳞进行了大量光学分析以及热分析，结果表明鱼鳞是由有机胶原蛋白和无机羟基磷灰石组成的层状复合结构，这种结构使鱼鳞有极好的韧性，有较好的防护作用。

以上研究都表明了鱼鳞本身就具有较好的韧性和抵抗冲击的能力，如果运用一种性能较好的复合材料来制作鳞片，那么鳞片本身就会具有较好的抵抗冲击的能力，并将其附在船舶满载水线附近，加强船舶抵御冰块冲击的能力。

2）鱼鳞结构的抗冲击能力

目前，美国尖峰装甲公司推出一款防弹衣——龙鳞甲[7]，由小块的陶瓷防弹瓦和新型的防弹纤维编制成鱼鳞形状的防护甲，其防护机理为：一方面，高性能的陶瓷防弹瓦硬度极大，可以吸收大部分子弹的冲击；另一方面，由于鳞片的相互叠加，是局部集中的能量分散开来，从而减少子弹带来的冲击。

刘鹏[8]在研究鱼鳞仿生防护装具时，将仿生鳞片的几何形状确定为圆形，并规定每个鳞片倾斜角度一致（覆盖模型和倾斜度见图1），并建立如图2 的有限元模型，研究该防护装具在子弹冲击下的性能，得到如下结论：鳞片本身的材料吸收了大量子弹带来的冲击；由于鳞片的堆叠结构，当其中一个鳞片承受冲击时，它会将残余的能量传递到其相邻的鳞片，从而缓和冲击；鳞片本身是倾斜的，会使正面冲击的速度分解，从而削弱一定的冲击能量。

图1 鳞片倾斜和覆盖示意图[8]Fig.1 Sketch of scale inclination and covering

图2 有限元模型[8]Fig.2 Finite element model

无论是美国生产的防弹衣，还是刘鹏[8]设计的鱼鳞仿生防护装具，从它们的防护机理都可以看出：较好的材料做成的鳞片本身就有非常好的抗冲击能力；鳞片这种堆叠的结构，可以起到将局部集中的能量分散开来，同样可以减少外来的冲击；倾斜的鳞片可以分解正面受到的冲击。因此，在船舶满载水线的附近装上鱼鳞的防撞结构，那么由于鱼鳞结构具有较好的抵抗冲击的能力，船舶也将具有较好的抵抗冰撞击的能力。

3）阻力性能

船舶本身就具有不错的阻力性能，如果在船舶满载水线的附近装上鱼鳞的防撞结构，很可能影响船舶的阻力性能，使船舶在航行时具有较大的阻力。

美国学者Sumers A.P.[9]在研究鱼鳞的减阻效应时，推测鱼皮表面在运动时，由于鱼鳞的作用形成了微小紊流，从而鱼快速游动只需克服较小的阻力。钱风超[10]依据仿生学原理，结合对鲤鱼鳞片生理结构和表面特性的研究，设计了鱼鳞凹坑表面，该表面虽然产生了额外的压差阻力，但同时也大幅度降低了摩擦阻力，达到了减阻的效果。

由此可见，鱼鳞本身的减阻效果非常的好，依据仿生学原理结合鱼鳞的特性，合理的设计鳞片结构，并将其应用于本文提出的船舶鳞片防撞结构中，那么整个鳞片防撞结构就会具有较好的阻力性能。或者，目前由于这种防撞结构是本文的构想，因此将其安装在船舶上后，整体船舶的阻力性能不得而知。

1.3 需要解决的问题

这种仿鱼鳞的防撞结构是本文根据鱼鳞所具备的一些性能所提出的一种构想，还没有实际的结构模型，因此必须先将这种鱼鳞防撞结构设计出来，而设计这种结构需要考虑很多因素：

1）材料选择。首先，鱼鳞防撞结构质量不能太大，不然会影响船舶的很多性能，这就需要选择密度较小的材料。其次，在发生与冰的碰撞时，材料本身就已经可以吸收掉一部分冲击的能量，因此，选择的材料越好，那么材料本身就可以吸收越多的能量。

2）单个鳞片结构。不同的鳞片结构抵抗冲击的能力也都不同，并且鳞片结构的表面形状也会影响到结构的阻力性能，因此，需要研究不同鱼鳞的结构，依据仿生学原理，来进行单个鳞片的设计，使其具有更好的性能。

3）鳞片的倾斜度和堆叠方式。鳞片的倾斜度可以很好的缓和正面的冲击，从而削弱整体冲击的能量。显然，鳞片堆叠的越密，那么所需的鳞片就越多，这就会使整个结构的质量越大。并且，不同的堆叠方式，分散冲击的能力就不同，因此需要通过研究，选择一个合适的堆叠方式。

影响这种仿鱼鳞防撞结构设计的因素还有很多，以上只是列出了本文认为比较重要的3 种因素。

2 鱼鳞防撞结构的初步仿真计算

本文根据鱼鳞的堆叠结构，运用有限元软件Abaqus 建立了一个较为简单的鱼鳞防撞结构（图3 为鱼鳞结构图，图4 为鱼鳞防撞结构的有限元模型），来探究该结构的一些性能。

图3 鱼鳞结构图Fig.3 Scale structure chart

图4 有限元模型Fig.4 Finite element model

运用有限元分析软件Abaqus，模拟该鱼鳞防撞结构与冰块的碰撞，同时模拟没有鱼鳞结构的板与冰块的碰撞（图5 为两者碰撞示意图），并将2 次模拟所得到的结论进行比对，在模拟碰撞的时候，假定冰块的速度为10 m/s，并且是垂直撞向目标。这里所用到的钢材料参数如表1 所示，冰材料参数如表2 所示。

图5 碰撞示意图Fig.5 Collision schematic

表1 钢的材料模型参数Tab.1 Material model parameters of steel

表2 冰的材料模型参数Tab.2 Material model parameters of ice

2.1 最大应力对比

结构所受最大应力时程曲线如图6 所示。可见，没有鱼鳞结构的板，在收到冰块碰撞的时候，应力变化的较快，呈现急剧的增长或者减小，而拥有鱼鳞结构保护的板，其应力变化较慢。并且，在碰撞的同一时刻，拥有鱼鳞结构的板所受的应力始终小于无鱼鳞结构的板，这也意味着，鱼鳞这种结构，可以很好抵御冰块的冲击，使得它保护的结构板所受到应力较小。

图6 最大应力时程曲线图Fig.6 Maximum stress time history curve

2.2 动能的对比

图7 为结构动能时程曲线图。由图可见，在相同的碰撞时刻下，无鱼鳞结构板的动能始终都要比鱼鳞结构板的动能大。鱼鳞结构能够很好吸收和化解冰块碰撞带来的能量，起到保护的作用。

图7 动能时程曲线图Fig.7 Kinetic energy time history curve

2.3 应力云图的对比

图8 和图9 分别是碰撞时间为5 ms，10 ms 的应力云图的对比图。可见，在发生碰撞的时候，没有鱼鳞结构的板主要应力都集中在发生碰撞的位置，更容易发生破坏，而拥有鱼鳞结构保护的板，在发生碰撞的时候，由于采用了鱼鳞的堆叠结构，就能够将碰撞产生的冲击和力分散到周围的鳞片结构上面，这样就能避免产生应力集中，结构就不容易受到破坏。由于本文所建立的模型中，鱼鳞结构并没有完全覆盖整个板，所以通过应力云图可以看到，鱼鳞结构将碰撞带来的冲击向周围分散，如图9（b）和图8（c）所示，最终主要的应力就分散到了鱼鳞结构的边缘。

3 结 语

本文根据鱼鳞结构良好的性能，提出一种可以安装在船舶满载水线附近仿鱼鳞的防撞结构，并通过有限元分析软件对一个简单的鱼鳞结构模型进行与冰块碰撞的模拟分析，得到鱼鳞结构的优点如下：鱼鳞结构可以很好地缓和受到的冲击力；鱼鳞结构可以很好地吸收碰撞冲击所带来的能量；鱼鳞结构能够分散碰撞产生的冲击力，避免应力集中。综上所述，鱼鳞防撞结构在受到冰块的碰撞冲击时，可以很好地分散并减小收到的冲击，起到保护船舶的作用。

图9 碰撞时间为10 ms 的应力云图Fig.9 Stress cloud with a collision time of 10 ms