江苏科技大学----不同球鼻型船艏撞击下舷侧结构碰撞性能研究

1、不同球鼻型船艏撞击下舷侧结构碰撞性能研究刘昆 张延昌 王自力江苏科技大学船舶与海洋工程学院不同球鼻型船艏撞击下舷侧结构碰撞性能研究Study on the Collision Capability of Side Structureunder Different Bulbous Bows刘昆,张延昌,王自力(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院,江苏 镇江 212003Liu Kun , Zhang Yan-chang , Wang Zi-li( School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Sci

2、ence and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China摘 要:船舶碰撞一直是船舶力学界研究的热点,但以往的研究主要以改变舷侧结构形式为主,而忽略了撞击船艏形状及刚度对碰撞历程产生的影响。本文利用数值仿真软件MSC/Dytran,对不同形状及刚度的球艏型船艏撞击下舷侧结构的碰撞性能进行了定量的分析研究。结果表明,船艏形状及其刚度对船舶碰撞安全性产生了影响,撞击船艏部与被撞船舷侧的接触面积越大,舷侧结构吸能越多,其碰撞安全性也就越好。柔性船艏可以大大提高极限撞深,从而大幅增加舷侧各构件的吸能,对舷侧结构的碰撞安全性有利。关键词:船舶碰撞;舷侧结构;

3、船艏形状;柔性船艏;数值仿真;碰撞安全性Abstract: Ship collision is the focus of the ship mechanics. However, the research work in the past always ignored the influence of the shape and stiffness of the striking bow. In this paper, quantitative comparison analysis was performed for bulbous bows with different shapes an

4、d stiffness. The results show that the shape and stiffness of the striking bulbous bow have an impact on the collision security, the lager of the contact area, the more of the energy absorption, the better security of the stroke side structure. Soft bow can greatly enhance the limited penetration an

5、d increase the energy absorption of every component in the side structure. So it is good for the collision security of the side structure.Key words: ship collision; side structure; striking bow shape; soft bow; numerical simulation; collision security1 引 言随着世界航运业的迅速发展,船舶的大型化、快速性使得海上交通日益繁忙,航行密度越来越大,船

6、舶碰撞与搁浅事故时有发生。船舶碰撞和搁浅事故往往会造成船体结构破损、货物泄露、环境污染、人员伤亡等灾难性后果。因此,无论是从安全上、经济上,还是从环境保护上来看,对船舶碰撞性能展开研究都具有重要意义。近些年来,国内外众多学者针对船舶碰撞做了大量的研究工作,旨在提高船舶的碰撞性能,并提出了多种耐撞结构形式。值得强调的是,这些研究一味关注被撞船舷侧结构的碰撞性能,而忽略了撞击船艏部的影响,将其简化为一刚性球头。实际上,虽然撞击船艏部相对于被撞船舷侧的刚度很大,但其在碰撞过程中也会发生变形并吸收能量,且这种变形必将对被撞船舷侧结构的碰撞性能产生影响,因此,系统研究撞击船艏部的不同形状及刚度对船舶碰撞

7、性能的影响具有重要意义。本文利用非线性瞬态动力学软件MSC/Dytran对不同形状及刚度的船艏撞击下某VLCC舷侧结构的碰撞性能进行了数值仿真计算,定量研究了撞击船艏部形状及刚度对碰撞历程产生的影响,揭示出不同球鼻型船艏对被撞船舷侧碰撞性能产生影响的一般规律。2 不同形状球鼻型船艏撞击下舷侧结构碰撞性能2.1 碰撞方案及有限元模型 (刚体本部分主要针对艏部球鼻与艏柱相对位置的不同对被撞船舷侧碰撞性能的影响进行定量研究。以某VLCC为研究对象,对其在具有不同形状球鼻型船艏撞击下的碰撞性能进行数值仿真研究。碰撞模型如图1所示。根据撞击船艏部形状和大小的不同,以及与被撞船相对高度的不同所导致的船艏碰

8、撞接触区域的变化,在保证每次数值仿真球鼻与艏柱分别撞击在相同位置的前提下,出型船艏;b.平齐型船艏;c.艏柱突出型船艏。不同形状球鼻型船艏撞击的有限元模型如图2所示,其中(a即为与图1相对应的原始模型。图1 碰撞模型(a球鼻突出型(b平齐型(c艏柱突出型图2 不同形状球鼻型船艏撞击有限元模型舷侧板架结构网格特征长度为0.2m,在计算中考虑材料应变率敏感性对计算结果的影响,采用与实验结果吻合较好的Cowper-Symonds本构方程。为了节约计算时间,故仅对撞击船艏部接触区域网格细划,其特征长度为0.5m,非接触区域采用较粗的网格密度,其材料定义为刚性,仿真计算中各材料参数见表1。表1 仿真计算

9、中各材料主要参数构件 材料模型泊松比 失效应变材料密度屈服应力弹性模量应变率参数 质量kg/m3MPa GPa D q106Kg 舷侧 ElasPlas0.3 0.161 7850 235 206 40 5 艏部 Rigid 1762.2 计算结果分析图3反映了撞击船速度随撞深变化的关系。从图中可以看出:1、随着撞深的增加,平齐型船艏速度下降最快,球鼻突出型次之,艏柱突出型速度下降最慢;2、在撞深达到1m 之前,球鼻突出型与平齐型船艏的曲线基本重合,然后平齐型下降得越来越快,到碰 撞结束时,两者速度相差近0.04m/s ,而由于撞击船质量巨大,所以二者损失的动能相差很大;3、艏柱突出型艏部的曲

10、线在撞深达到2m 之前速度下降很小,2m 以后才表现出明显的下降趋势。产生以上现象主要是由于碰撞接触区域的面积不同造成的。球鼻艏与被撞船舷侧接触面积比较大,倾斜艏柱接触面积较小,尤其是其与舷侧刚开始接触时,所以球鼻突出型艏部与平齐型艏部在碰撞初期的速度-撞深曲线基本重合,艏柱突出型艏部的曲线在开始阶段接近水平。 2.2.2 碰撞力 图4为三种不同形状球鼻型船艏撞击下的碰撞力曲线。从图中可以看出,球鼻突出型和平齐型船艏在撞深达到2.4m 以前的碰撞力曲线基本重合,在2.4m 以后开始出现差异,平齐型的开始升高,且一直比球鼻突出型的高出近107N 。这是由于开始阶段,前倾的艏柱与舷侧碰撞接触面积很

11、小,产生的碰撞力与巨大的球鼻艏相比很小,故两者曲线十分接近。但是随着碰撞的不断进行,撞深一直增加,接触面积也在增大,倾斜艏柱产生的碰撞力越来越大。同样,艏柱突出型船艏的碰撞力在撞深1.5m 之前一直很小,而在1.5m 时突然增加,通过查阅相应时刻的损伤变形,发现此时球鼻开始与舷侧外板接触。此曲线在最后阶段达到三根曲线的最大值,是因为它总的碰撞接触面积比其他两个都要大。另外,在撞深2m 3m 之间,三条曲线都有一明显的峰值,这正是对应着它们内壁板破裂的时刻,可以看出球鼻突出型与平齐型船艏的峰值基本一致,大约在2.9m 撞深处,而艏柱突出型的峰值提前,出现在约2.8m 的位置。这说明艏柱突出型船艏

12、撞击对于舷侧结构的破坏性最大。2.2.3 损伤变形图5反映了不同球鼻型船艏撞击下舷侧结构的损伤变形情况。从图中我们可以清楚地看到:1、各构件的损伤变形具有明显地局部性,损伤变形区域基本与撞击船艏部楔入的大小和形状相同;2、碰撞区域的肋板和平台出现了严重的面内弯曲和侧向弯曲;3、碰撞接触区域越大,舷侧外板及内板的膜拉伸现象越明显;4、平齐型船艏撞击时舷侧各构件的损伤变形范围和程度最大,球鼻突出型次之,艏柱突出型最小。这给了我们一个重要的启示,船体结构耐撞性研究似乎不能脱离撞击船的船艏形式而孤立地进行,不同的撞击船艏部形式可能导致不同的损伤变形模式,从而带来结构破坏形式和能量吸收机制上的差异。球鼻

13、突出型 平齐型 艏柱突出型图3 速度-撞深曲线速度/m s -1球鼻突出型0.00E+002.00E+074.00E+076.00E+078.00E+071.00E+080123456图4 碰撞力-撞深曲线 (a 舷侧外板 (b 肋板和平台 (c 舷侧纵骨 (d 舷侧内板 图5 不同形状船艏撞击下舷侧构件损伤变形 2.2.4 能量吸收图6反映了三种不同形状球鼻型船艏撞击时舷侧结构整体吸能随撞深的变化关系。由图可知: 1、相同撞深时,平齐型船艏撞击下的舷侧结构吸收能量最多,球鼻突出型的次之,艏柱突出型的最少。参照前面对结构损伤变形的分析,发现这是由于它们在撞击区损伤变形的程度不用所引起的。2、撞

14、深达到2m 之前,平齐型和球鼻突出型船艏撞击下被撞船舷侧的能量吸收曲线基本一致,而艏柱突出型的与它们相差较大,大约在5m 时,球鼻突出型与艏柱突出型的曲线又交于一点,这也与舷侧结构损伤变形程度直接相关。表2为不同形状船艏撞击下被撞舷侧结构在极限撞深时的能量吸收情况,从表中可以看到:在极限撞深时,平齐型船艏撞击下舷侧吸能最大,0.00E+005.00E+071.00E+081.50E+082.00E+080123456图6舷侧吸能-时间历程曲线 表2 舷侧结构在极限撞深时吸能情况 撞击船型式 极限撞深 碰撞力 舷侧吸能(m (MN (MJ 球鼻突出型球鼻突出型其次，艏柱突出型最小。这表明平齐型船

15、艏撞击下舷侧结构碰撞安全性最好。 3 3.1 不同刚度球鼻型船艏撞击下舷侧结构碰撞性能 碰撞方案及有限元模型 附加质量 图 7 撞击船艏部有限元模型 图 8 船艏内部有限元模型 本部分仍以该 VLCC 舷侧结构作为研究对象，撞击船选取与实际情况相一致的柔性船艏，与刚性船艏 撞击下的碰撞性能作对比，阐明撞击船刚度对结构碰撞性能的影响。 为了便于比较研究，仍选用与上一部分相同的碰撞方案（见图 1） ，只是将撞击船艏部的材料属性定义 为柔性并且增加船艏内部构件，其余均未改变。另外，为了保证撞击船质量不变，而且又不能改变艏部材 料的属性，故在船艏后面适当增加一段结构，并定义为刚性材料以作为附加质量。柔

16、性船艏模型及其内部 结构模型见图 7、图 8 所示。仿真计算中各材料参数见表 2。 表 2 柔性船艏撞击时仿真计算中各材料参数 名 称 材料 模型 泊松比 失效应 变 材料密度 屈服应力 弹性模量 应变率参数 质量 kg/m 3 MPa 235 235 GPa 210 206 D 40 40 q 5 5 106Kg 0.7 175.3 舷 船 侧 艏 ElasPlas ElasPlas Rigid 0.3 0.3 0.161 0.161 7850 7850 附加质量 3.2 计算结果分析 3.2.1 碰撞力 图 9 为不同刚度船艏撞击下的碰撞力曲线， 从图中 可以发现：1、与刚性船艏相比，柔性

17、船艏撞击时碰撞 力曲线的非线性特点更为明显。 这是由于柔性撞击船艏 与被撞舷侧同时发生失效所导致的。2、两条曲线的变 化趋势是基本一致， 只不过柔性船艏撞击时的碰撞力在 每个峰值与谷值都要比刚性的滞后， 而且随着撞深的增 加，这种滞后现象也越来越明显。3、柔性船艏撞击下 1.00E+08 碰撞力/ N 柔性船艏 8.00E+07 刚性船艏 B A 6.00E+07 4.00E+07 2.00E+07 撞深/ m -6- 0.00E+00 0 1 2 3 4 5 6 图 9 碰撞力撞深曲线 碰撞力峰值和极限撞深均大大增加。图中峰值点 A、B 分别对应了柔性和刚性船艏撞击下极限撞深时的碰 撞力。可

18、以看到，A 点的碰撞力比 B 点的高了近 16MN，极限撞深甚至增加了 1.09m。柔性船艏撞击下碰 撞力和极限撞深的大幅提高表明其碰撞安全性明显优于刚性船艏，这也证实了以往将撞击船艏部作为刚性 处理是过于保守的。 3.2.2 损伤变形 a 柔性船艏撞击下结构损伤变形 b 刚性船艏撞击下结构损伤变形 图 10 不同刚度的船艏撞击下舷侧结构主要构件损伤变形 图 10 为舷侧外板及强框架在不同刚度船艏撞击下极限撞深时的损伤变形图。从图中可以看出：1、对 于结构的变形损伤模式，舷侧外板主要是膜拉伸和撕裂，强框架主要是压皱、面内弯曲和压溃断裂，不同 刚度船艏撞击基本没改变碰撞区域构件的损伤变形模式；2

19、、对于变形范围和程度，柔性船艏撞击下的都要 大很多。这是由于其撞击时间相对较长、极限撞深相对较大，而且随着撞击船艏部的不断变形，使得碰撞 接触面积也在不断增大，又由于碰撞的局部性，被撞船变形区域与撞击船楔入体积的一致性，必然会使得 柔性船艏撞击下被撞舷侧不论是变形范围，还是损伤程度都要较刚性船艏撞击时的大。 3.2.3 能量吸收 2.00E+08 吸能 J 图 11 是不同刚度球鼻型船艏撞击时舷侧结构吸能 / 曲线。从图中可以看出，两条曲线基本重合，但是由 柔性船艏 于在柔性船艏撞击下， 舷侧结构的极限撞深显著增加， 1.50E+08 刚性船艏 则极限撞深时舷侧的吸能必然远高于刚性船艏撞击时

20、1.00E+08 的吸能。 表 3 反映了极限撞深时不同刚度船艏撞击下的能 5.00E+07 量转化情况。我们可以看到：1、极限撞深时，柔性船 撞深/m 艏撞击下舷侧构件所吸收的能量均大幅增加，充分的 0.00E+00 发挥了各构件的吸能能力；2 极限撞深时，柔性船艏 0 1 2 3 4 5 6 撞击下舷侧结构的总吸能远高于刚性船艏。前者为 图 11 舷侧吸能时间历程曲线 112.73MJ，后者仅为 82.14MJ，前者超出后者近 38%； 3、极限撞深时，柔性船艏所损失的动能也明显高于刚性船艏，分别为 160.74MJ、93.13MJ。不同刚度的船 艏撞击下，能量吸收情况会出现上述差别，一方

21、面是由于被撞船舷侧构件的压溃程度和范围不同，另一方 面由于柔性船艏本身也在发生损伤变形，消耗掉一部分撞击动能。这也给了我们一个启示：柔性船艏撞击 可以有效的缓解高能撞击所带来的严重危害。 表 3 极限撞深时能量转化化情况 撞击船艏部 柔性船艏 极限撞深 (m 外板 (MJ 肋板 (MJ 平台 (MJ 纵骨 (MJ 内板 (MJ 总吸能 (MJ 撞击船 (MJ 3.98 +32.17 +28.96 +28.16 +16.79 +6.65 +112.73 -160.74 -7- 刚性船艏 2.89 +23.97 +21.62 +16.77 +13.14 +6.64 +82.14 -93.13 注： +”表示吸收能量； -”表示损耗能量。 “ “ 4 结论 本文应用 MSC/DYTRAN 程序，对不同球鼻型船艏撞击下舷侧结构的碰撞性能进行了深入分析，得到 以下主要结论： （1）不同形状刚性船艏撞击时，撞击船艏部与被撞船舷侧接触面积越大，极限撞深时