双层底船舶搁浅损伤数值仿真研究

刘 念 周智慧 梁棋钰 朱 凌

(武汉理工大学船海与能源动力工程学院1) 武汉 430063) (高性能船舶技术教育部重点实验室2) 武汉 430063)

0 引 言

根据船舶与海底接触的特性，船舶搁浅可分为两类：搁浅于相对松软的沙滩上称为软搁浅，搁浅于坚硬的岩石上称为硬搁浅.研究船舶搁浅问题，一个典型的方法是将搁浅过程解耦为两个独立的部分，即外部动力学和内部动力学.外部动力学与搁浅船舶在水中的刚性运动有关，内部动力学关注船舶结构在搁浅力作用下的变形受损及吸能情况.这样不仅会使计算简化，而且对高速搁浅(搁浅速度大于8 m/s)进行解耦分析不会引起明显的分析误差[1].

Card[2]最早基于统计分析法研究船舶搁浅问题.Wierzbicki等[3]建立楔形体切割板架的简单数学模型，并推导出了切割力的闭合解.Ohtsubo等[4]推导出了板架被切割的切割力上限解.Zhu等[5]基于FLD和FFLD的颈缩和断裂破坏准则，并将其推广于船舶碰撞搁浅领域.Zhu等[6-7]提出了计算搁浅力及船舶损伤程度的半经验公式，并创新性地对多礁石类型的搁浅事故提出了研究方案.杨树涛等[8]使用ABAQUS对船舶搁浅问题进行了研究.Zhu等[9]对船舶搁浅进行了缩尺比实验，研究了内动力学与外动力学的耦合效应，研究表明搁浅过程中周围水域对船舶运动的影响较大.Zhou等[10]对船舶搁浅进行了不同摩擦工况下的准静态切割实验，研究表明摩擦系数不会改变船底板的损伤模式，但在稳定状态下减小摩擦可以显著减小搁浅力和能量吸收量.Liu等[11]提出了双层底船搁浅问题的数值模拟方案.国内针对船舶搁浅的相关研究，在深度和广度上开展的都不够充分，许多问题诸如礁石形状的影响等都未得到有效的处理.文中研究双层底船舶在硬搁浅过程中的内部动力学响应问题，并对不同礁石形状的搁浅过程中，模型各构件的变形及吸能情况进行了具体分析.

由于搁浅事故通常会产生较严重的后果，数值模拟船舶搁浅这一非线性动态响应过程，以及研究不同礁石形状对船舶搁浅的影响，将有助于研究船舶在搁浅事故中的结构损伤机理，提高海洋浮式结构物在搁浅事故中的抵抗性.

1 仿真分析验证

由Patrick[12]的实验可知，板架模型由两个纵向构件及其之间的横向构件组成，板架板厚1.12 mm，楔形体上下对称见图1.

板架与礁石的接触定义为通用接触，将板架未与楔形体接触的三边固定，使礁石以300 mm/s的初速度冲向板架中间处，约束楔形体其他五个自由度，摩擦系数为0.3.

图1 板架有限元模型

板架构件均采用四节点减缩积分壳单元S4R进行建模，加密区网格大小为3 mm，非加密区为10 mm.板架采用A366钢的材料参数进行建模，材料应力应变曲线见图2[13]，材料参数见表1.

图2 A366钢材料参数

表1 材料参数

在船舶碰撞搁浅过程中，应力三轴度在板架形变区域变化较小，所以使用不考虑应力三轴度的失效准则也能相对较好的模拟板的冲击破坏.常应变失效准则因其形式简单，确定临界值的方法方便，所以在工业界被广泛应用，其表达式为

图3 随损伤逐渐退化的应力-应变曲线

(2)

(3)

为了验证数值仿真模型的可靠性，仿真得到切割力-位移曲线及板架的最终损坏变形情况，并将结果与实验结果进行对比.楔形体切割板架的有限元数值仿真结果与实验结果的对比见图4.由图4可知：仿真模拟结果与实验相符，变化趋势相近，验证了本文中数值模拟仿真的可靠性.

图4 仿真与实验对比图

2 仿真分析模型

本文的仿真模型是7 000 t油船的纵骨架式双层底分段，见图5.船舶发生搁浅时，舷侧板架和甲板板架的作用是保证底板四周的固定，基本上不参与变形.模型内外底板长宽均为28 m，纵桁高为2 m，纵骨高0.3 m，纵桁间距0.8 m，肋板间距4 m，双层底各结构板厚都为0.015 m；礁石为锥形刚性体，半径和高度都为4 m，礁石顶端在双层底以上1 m处.

双层底板架采用S4R单元进行建模，网格尺寸为0.1 m，考虑附连水质量的影响，板架密度设为8 164 kg/m3.礁石采用R4D3单元建模，网格尺寸为0.3 m.将板架不与礁石接触的其他三边固定，只留下礁石搁浅方向的自由度和垂向自由度，礁石以15 m/s的初速度沿X轴负方向撞向板架中央，其他参数设置与上节相同.

图5 双底船舶搁浅数值仿真模型图

3 数值仿真结果及分析

3.1 船底结构损伤变形模式

图6为双层底的搁浅变形是一个局部变形过程.图6a)～6b)内底板和内底纵骨是损伤最轻的，底板膜拉伸、撕裂和纵骨屈曲、扭转、折叠的位置集中在在裂缝附近；图6c)中的纵桁局部发生了不同程度地压溃损伤，中纵桁受到的挤压力最大，损伤范围也最大；图6d)中的肋板的变形局限于和礁石接触的部分，肋板在礁石撞击的作用下发生膜变形进而撕裂失效；图6e)中的外底纵骨随着板壳的变形发生大的屈曲和折叠，形成褶皱，最终失效；图6f)中的外底板的损伤比较严重，初期撕裂形成裂缝后，外底板及板架构件沿搁浅方向逐渐撕裂损坏.

图6 双层底搁浅各结构损伤图

3.2 搁浅力结果及分析

图7为仿真得出的双层底结构搁浅力与礁石位移曲线.X为礁石速度方向的搁浅力，Y为船宽方向的搁浅力，Z为垂直方向的搁浅力.X向和Z向搁浅力的周期相同，Y向搁浅力较小.搁浅力在搁浅初期呈大幅上涨的趋势，随着板材的压溃失效，搁浅力有所下降，由于肋板的阻碍，在礁石运动周期性遇到肋板时，搁浅力周期性出现峰值.从整体来看，搁浅力呈减小趋势.

图7 双层底搁浅力-位移曲线

3.3 能量吸收结果及分析

图8为搁浅过程中船底各构件的内能变化、整个双层底的内能变化及礁石动能变化图，其中的礁石动能变化为绝对值.在双层底各结构的内能变化中，纵桁是吸能最多的构件.外底板内能变化略低于纵桁内能变化，两者内能变化总和可以达到70%；其次是肋板吸能，吸收的内能占比约15%；内底板和内外底纵骨吸能是占比最少的，内底纵骨吸能占比约1%.双层底主要的内能变化结构是纵桁、外底板和肋板，内底板和纵骨结构内能变化较少.

图8 双层底各结构吸能情况

相比于肋板，纵桁的变形更严重，吸能占比更多，其主要原因是礁石搁浅的位置位于中纵桁的位置，但是搁浅力周期性下降的主要原因是肋板的阻碍，所以横向强构件对提高抗搁浅性能有重要作用.

3.4 礁石形状对搁浅性能的影响

为了进一步探讨礁石形状对船舶搁浅性能的影响，取礁石形状为锥形、球形和台形，见图9a).考虑搁浅的实际工况，设置仿真模型中的锥形礁石顶部在双层底以上1 m处，圆形礁石顶部在双层底以上0.6 m处，台形礁石底部在双层底以上0.2 m处，见图9b)，其他仿真条件不变，重复上述数值仿真.

图9 礁石形状

表2为三种礁石类型的双层底各结构损伤情况，锥形礁石的外底板损伤为撕裂损伤，撕裂产生一条大的裂缝，球形礁石和台形礁石的外底板损伤范围较大，多为压溃受损；对于锥形礁石的搁浅，纵桁向上和向两侧折叠，球形和台形礁石搁浅的纵桁失效模式多为受到礁石和底板挤压后压溃失效；肋板的破损形状与礁石形状直接相关，肋板表面发生大挠度变形，以及严重屈曲扭转，最终发生局部损伤变形；除锥形礁石搁浅时的内底板发生破损外，其他两种礁石的内底损坏较轻，只是底板局部被拉伸.

表3为不同礁石搁浅中双层底结构内能变化情况.由表3可知：球形礁石吸收的内能是最多的，台形礁石次之，锥形礁石吸收的内能是最少的，这与表2中的各内底板结构变形程度一致；外底板和纵桁的变形受损是双层底最主要的吸能模式.球形礁石和台形礁石搁浅中，外底纵骨及外底板变形吸能占比相对较高，说明这两种类型的礁石对外底板及底板纵骨破坏较多；三种礁石的肋板内能变化量基本相同，说明不管何种形状的礁石，对肋板的破坏都是很彻底的折叠压溃，且变形范围也比较相近.

表2 不同礁石形状的船底部构件损伤变形图

表3 不同礁石搁浅中双层底结构内能变化情况

4 结 论

1) 楔形体切割板架数值计算结果与实验结果吻合较好，验证了数值模型的可靠性.

2) 双层底船舶在搁浅过程中，内外底板会产生膜拉伸直至撕裂变形；纵骨会弯曲，扭转，压皱甚至断裂失效；肋板和纵桁会产生膜拉伸，屈曲，折叠直至撕裂或者压溃失效.纵桁和外底板是最主要的吸能构件.

3) 因为肋板的存在，搁浅力呈现周期性下降的趋势，所以横向强构件的设计对于船舶抗搁浅性能有着重要的意义.

4) 相比于锥形礁石，球形礁石和台形礁石对船底内底板造成的损伤程度较小，对其他船底构件造成的横向损伤宽度较大，搁浅长度较短.