自由拋落式救生艇落水沖擊響應(yīng)及可靠性分析

蘇石川，戴成龍，史 俊，張 文，張 力，高 強(qiáng)，張順東

(1.江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

(2.鎮(zhèn)江四洋柴油機(jī)制造有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212003)

自由拋落式救生艇落水沖擊響應(yīng)及可靠性分析

蘇石川1，戴成龍1，史 俊2，張 文1，張 力1，高 強(qiáng)1，張順東1

(1.江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

(2.鎮(zhèn)江四洋柴油機(jī)制造有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212003)

自由拋落式救生艇入水過程開始時(shí)，艇體與水面接觸瞬間將產(chǎn)生巨大的沖擊力脈沖，這一脈沖力有可能造成救生艇內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效.在救生艇入水過程中，存在固、液、氣三相的耦合，其過程較為復(fù)雜.文中以某救生艇為研究對(duì)象，主機(jī)配置為380 J，應(yīng)用有限元分析方法對(duì)其入水沖擊過程進(jìn)行數(shù)值仿真，分析自由拋落后沖擊載荷對(duì)艇體的沖擊響應(yīng).最終得出:最大變形發(fā)生在入水時(shí)間t=0.35 s，即救生艇開始向水面浮升的時(shí)，最大變形量為34.3 mm;最大應(yīng)力發(fā)生在t=0.035 s，為95 MPa，應(yīng)力變化在材料承受范圍內(nèi)，艇身不會(huì)被破壞.

艇體變形;沖擊載荷;自由拋落式救生艇

自由拋落式救生艇以入水速度快、快速動(dòng)作、避免近體危險(xiǎn)等特點(diǎn)，至今已廣泛應(yīng)用在船舶、海洋平臺(tái)等海上設(shè)備.針對(duì)救生艇結(jié)構(gòu)安全性和可靠性方面的研究，目前國(guó)內(nèi)外已取得了可觀的進(jìn)步和收獲，主要是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量或有限元分析軟件對(duì)艇身結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度進(jìn)行分析［1-2］.

在救生艇入水過程開始時(shí)，艇體與水面接觸瞬間將產(chǎn)生巨大的沖擊力脈沖，很有可能造成救生艇內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效.因此，文中通過對(duì)救生艇入水沖擊過程進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，分析其沖擊過程中艇體變形及應(yīng)力變化，為救生艇的可靠性設(shè)計(jì)提供參考.

1 滿載救生艇基本參數(shù)

文中以某380J船用自由拋落式救生艇為研究對(duì)象，該自拋艇的主要技術(shù)參數(shù)如表1.

表1 救生艇基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the lifeboat

取救生艇拋落角度為30°，入水角度為53°，下落高度為20 m，為便于計(jì)算，假定自拋艇是規(guī)則物體，底面積近似為S=6.7 m×2.55 m=17.1 m2，滿載總質(zhì)量m=6 475 kg.

根據(jù)文獻(xiàn)［3］中的計(jì)算方法，經(jīng)計(jì)算得救生艇入水時(shí)豎直方向分速度V2H=18.4 m/s.

當(dāng)救生艇完全浸入水面，即入水深度為3.2 m時(shí)，垂向速度VH=11.6 m/s.

當(dāng)速度減為零時(shí)，所用入水時(shí)間t=0.15 s，此時(shí)間段也是作用在救生艇上的最大受力時(shí)間.該過程入水深度h=0.91 m，則救生艇總?cè)胨疃菻= 4.11 m［3-4］，該過程入水位移為0.91 m，則救生艇總?cè)胨疃菻=4.11 m，ρ為水密度，取ρ=103kg/m3.

2 模型建立與處理

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)已有相關(guān)圖紙和數(shù)據(jù)，進(jìn)行艇體三維建模.再用HyperMesh有限元?jiǎng)澐周浖?duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.艇體網(wǎng)格劃分模型如圖1.隨后將畫好網(wǎng)格的救生艇模型導(dǎo)入有限元計(jì)算分析軟件Patran中.

在救生艇入水沖擊仿真過程中需對(duì)流體(空氣、水)部分建立歐拉區(qū)域，采用8節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分.由于艇體十分復(fù)雜，在不影響反映艇體變形整體情況的條件下，為節(jié)省計(jì)算量，采用節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少，救生艇及流體的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)見表2.

補(bǔ)水泵站主廠房抗浮穩(wěn)定及基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，井筒及其內(nèi)部板梁的配筋滿足強(qiáng)度要求。連通洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合規(guī)范和已有工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，配筋滿足強(qiáng)度要求。

圖1 網(wǎng)格劃分Fig.1 Meshing map

表2 節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)Table 2 Number of nodes and elements

最后調(diào)整救生艇的入水角度，完成最終的有限元網(wǎng)格分析模型，將其導(dǎo)入有限元分析前處理軟件中.

文中所研究的救生艇用聚酯纖維玻璃鋼的一般性能常數(shù)如表3.

表3 聚酯纖維玻璃鋼一般性能Table 3 General performance of polyester fiber glass steel

救生艇玻璃鋼材料采用Von Mises屈服模型，屈服應(yīng)力取290 MPa［5］.

流體域主要包括空氣域和水域，流體域歐拉單元初始條件的定義內(nèi)容主要為比內(nèi)能和密度.流體域中，空氣和水的狀態(tài)方程參數(shù)值如表4.表中:ρ為密度;γ為空氣比熱比;E為單位質(zhì)量的內(nèi)能;a1為水的體積彈性模量.

表4 流體域狀態(tài)方程參數(shù)Table 4 State parameters of fluid field equation

救生艇入水沖擊仿真計(jì)算的初始條件主要包括救生艇結(jié)構(gòu)與流體間的流-固耦合邊界、救生艇初速度、歐拉單元初始狀態(tài)等條件.在仿真過程主要模擬救生艇拋落過程的第4階段，即救生艇在接觸水面到法向加速度達(dá)到最大時(shí)刻的沖擊過程.由上文計(jì)算可知，救生艇拋落的水平傾斜角為35°，接觸水面時(shí)刻的傾斜角度為53°，拋落高度為20 m.

隨后對(duì)艇體模型進(jìn)行速度加載，并定義流-固耦合邊界.

為提高計(jì)算效率，文中只分析救生艇開始接觸水面到加速度達(dá)到最大時(shí)的沖擊過程.初始，救生艇最低端距水面距離為0.05 m，分析計(jì)算時(shí)間定義為0.36 s，初始時(shí)間步長(zhǎng)為1×e-7s.定義初始條件的完整有限元計(jì)算分析模型如圖2所示［6-8］.艇身并且應(yīng)力分布逐漸趨于均勻;由圖d)可以看出:沖擊過程結(jié)束后，由于能量不能及時(shí)傳遞到艇體外界，應(yīng)力變化存在一定的殘余響應(yīng).當(dāng)艇體將要浮出水面時(shí)，即當(dāng)t=0.35 s時(shí)，沖擊殘余應(yīng)力已均勻分布于整個(gè)艇體，只在救生艇的拐角結(jié)構(gòu)等處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的情況.

圖2 救生艇入水初始邊界條件Fig.2 Initial diving boundary conditions of lifeboat

3 艇體形變及應(yīng)力分析

3.1 等效應(yīng)力分析

救生艇以53°入水角度跌入水中，救生艇與水面接觸的瞬間，艇首的等效應(yīng)力迅速增大，并將沖擊能量以應(yīng)變、應(yīng)力形式傳遞到艇體及動(dòng)力裝置.沖擊過程不同時(shí)刻t的艇體應(yīng)力變化如圖3.

由圖a)可以看出:當(dāng)沖擊開始時(shí)，艇首與水面正面沖擊，沖擊部位的應(yīng)力值迅速增大.隨著救生艇著水區(qū)域的增大，艇首的最大應(yīng)力值也隨之迅速增大，并且沖擊能量以應(yīng)力、應(yīng)變的形式，傳遞到整個(gè)艇身;由圖b)可以看出:當(dāng)沖擊時(shí)間t=0.058 s時(shí)，艇首出現(xiàn)比較明顯的應(yīng)力集中情況并達(dá)到最大值;由圖c)可以看出:當(dāng)t=0.1 s時(shí)，救生艇大部分艇身已浸入水中，沖擊載荷已由艇首傳遞到整個(gè)

圖3 艇體不同時(shí)刻應(yīng)力分布云圖Fig.3 Hull stress distribution nephogram of different time

圖4 救生艇最大應(yīng)力變化曲線Fig.4 Maximum stress change curve of lifeboat

沖擊過程中，最大應(yīng)力的大小及位置隨著沖擊時(shí)刻的變化而不斷變化.其沖擊過程中，救生艇最大應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況如圖4.從圖3，4可以看到，最大應(yīng)力σ分布范圍主要集中在艇首與水面接觸的初始區(qū)域內(nèi)，在t=0.035 s時(shí)應(yīng)力分布出現(xiàn)的最大值為95 MPa，發(fā)生在救生艇首部與水面初始接觸位置.由救生艇玻璃鋼材料特性可知，此時(shí)的應(yīng)力小于玻璃鋼的最大安全應(yīng)力120 MPa，所以認(rèn)為救生艇受沖擊后不會(huì)發(fā)生破壞狀況.

3.2 艇體變形分析

圖5為救生艇在不同沖擊時(shí)刻艇體的變形云圖，從救生艇的變形圖中分析可知，最大變形發(fā)生在t=0.35 s時(shí)，即救生艇開始向水面浮升的時(shí)刻，最大位移為33.3 mm，發(fā)生在救生艇尾部.不同沖擊時(shí)刻救生艇出現(xiàn)不同的變形響應(yīng).由圖a)可以看出:沖擊過程開始瞬間，艇首最先與水面接觸，沖擊能量瞬間集中于救生艇首部，造成了如圖a)所示的變形響應(yīng).隨后沖擊響應(yīng)沿艇首迅速向艇體傳遞，所以艇首的沖擊變形首先迅速增大，然后稍有減小并趨于穩(wěn)定.救生艇入水初始過程中，首部相當(dāng)于受到水的約束作用，致使救生艇尾部受到巨大慣性力及扭轉(zhuǎn)力矩作用，扭轉(zhuǎn)力矩使救生艇尾部產(chǎn)生彎曲變形，救生艇的彎曲變形要遠(yuǎn)大于沖擊載荷所造成的沖擊變形.當(dāng)救生艇接近入水深度最低點(diǎn)時(shí)，救生艇已完全浸入水中，此時(shí)扭轉(zhuǎn)力矩作用消失，尾部變形達(dá)到最大值，如圖b).

圖5 艇體應(yīng)變響應(yīng)云圖Fig.5 Nephogram of hull strain response

分別取救生艇艇首、艇側(cè)、艇尾及頂部觀的測(cè)點(diǎn)，對(duì)救生艇入水沖擊過程中的應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析，其觀測(cè)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)編號(hào)分別為node 81、node 5 310、node 3 876和node 6 181.圖6為各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)沖擊過程中的位移時(shí)程曲線.從圖中可以看出:艇首觀測(cè)點(diǎn)(node 81)最先與水面接觸，所以位移D迅速增大并首先達(dá)到最大值，之后隨著時(shí)間t的變化先減小而后略有增加并趨于穩(wěn)定值.這種現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是因?yàn)椴Ａт摼哂休^高的韌性.距離沖擊位置較遠(yuǎn)的艇側(cè)觀測(cè)點(diǎn)(node 5 310)與頂部觀測(cè)點(diǎn)(node 6 181)由于沒有與水面直接撞擊，所以沖擊變形響應(yīng)相對(duì)較為緩慢.救生艇艇尾觀測(cè)點(diǎn)(node 3 876)的沖擊位移響應(yīng)隨時(shí)間變化較為平緩.不同觀測(cè)點(diǎn)的位移響應(yīng)各不相同，這主要是因?yàn)榫壬г谌胨^程中，與救生艇結(jié)構(gòu)、入水姿態(tài)以及沖擊能量在救生艇內(nèi)部的傳遞和轉(zhuǎn)化過程有關(guān).

圖6 不同觀測(cè)點(diǎn)位移變化曲線Fig.6 Observation points maximum displacement change curve

4 結(jié)論

1)艇體在沖擊過程開始時(shí)，最大應(yīng)力迅速增大，并在t=0.035 s時(shí)應(yīng)力分布出現(xiàn)最大值為95 MPa，艇首觀測(cè)點(diǎn)變形量于t=0.35 s時(shí)達(dá)到最大值為33.3 mm，之后隨著時(shí)間的變化先減小而后略有增加并趨于穩(wěn)定值.

2)艇側(cè)觀測(cè)點(diǎn)與頂部觀測(cè)點(diǎn)沖擊變形響應(yīng)相對(duì)較為緩慢.救生艇艇尾觀測(cè)點(diǎn)的沖擊位置響應(yīng)隨時(shí)間變化較為平緩.

References)

［1］Re A S，Veitch B.A comparison of three types of evacuation system［J］.Transactions-society of Naval Architects and Marine Engineers，2007(115):119-139.

［2］Bradley Elliott.Computer simulation of a freefall evacuation system in a range of initial conditions［R］.Canada:NRC Research Press，2003.

［3］ 黃春平，陸軍，秦嘉岷.自由降落救生艇試驗(yàn)過程探討［J］.造船技術(shù)，2012(3):37-40.Huang Chunping，Lu Jun，Qin Jiamin.Research on free-fall lifeboats test process［J］.Marine Technology，2012(3):37-40.(in Chinese)

［4］ 賀玉英，楊金芳.船舶自拋救生艇［J］.船舶，1996 (5):30-33.

［5］黃燕玲，郭強(qiáng)波，廖文，等.小型玻璃鋼開敞艇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］.船海工程，2013，42(1):21-22.Huang Yanling，Guo Qiangbo，Liao Wen，et al.Direct calculation of structural strength of a small FRP yacht［J］.Ship＆Ocean Engineering，2013，42(1): 21-22.(in Chinese)

［6］Von K T.The impact of seaplane floats during landing［R］.Washington USA:National Advisory Committee for Aeronautics，NACA TN 321，1929:1-8.

［7］Wagner V H.Phenomena associated with impacts and sliding on liquid surfaces［J］.Z Angew Math Mech，1932(12):193-215.

［8］Shiffman M，Spencer D C.The force of impact on a cone striking a water surface［J］.Commun Pure Appl Mech，1951(4):379-417.

［9］蘇石川，王憲淼，孫江，等.自由拋落式救生艇推進(jìn)系統(tǒng)落水沖擊響應(yīng)計(jì)算分析［J］.中國(guó)造船，2013，54(3):114-122. Su Shichuan，Wang Xianmiao，Sun Jiang，et al.Simulation and analysis of response of propulsion system of free-fall lifeboat to water entry impact［J］.Shipbuilding of China，2013，54(3):114-122.(in Chinese)

［10］ 蘇石川，張未軍，王永，等.外載荷作用下船舶推進(jìn)系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)分析［J］.中國(guó)造船，2012，53 (1):79-87.Su Shichuan，Zhang Weijun，Wang Yong，et al.Calculation and analysis of non-linear dynamics of propulsion system with external load［J］.Shipbuilding of China，2012，53(1):79-87.(in Chinese)

［11］Det Norske Veritas.Design of free fall lifeboats［S］.Oslo Norway:Det Norske Veritas，2010.

［12］Karim M M，Iqbal K S，Khondoker M R H，et al.Influence of falling height on the behavior of skid launching free-fall lifeboat in regular waves［J］.Journal of Applied Fluid Mechanics，2011，4(1):77-88.

［13］ 宋長(zhǎng)福.民機(jī)機(jī)身機(jī)構(gòu)入水沖擊問題數(shù)值仿真研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011.

［14］ 王軍.魚雷入水沖擊動(dòng)力學(xué)仿真研究［D］.云南昆明:昆明理工大學(xué)，2010.

(責(zé)任編輯:貢洪殿)

Analysis of water entry impact response of free fall lifeboats and its reliability

Su Shichuan1，Dai Chenglong1，Shi Jun2，Zhang Wen1，Zhang Li1，Gao Qiang1，Zhang Shundong1

(1.School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiansu 212003，China) (2.Zhenjiang Siyang Diesel Engine Manufacturing Co.Ltd.，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

When the lifeboat falls into water，the impact pulse created is so great that the structure of the boat may be destroyed.In the process，there exists the coupling of gas，liquid and solid phases，so the process may be very complex to be analyzed.A lifeboat whose main engine is 380 J is used in this study as the research object.The finite element analysis method is used to simulate the lifeboat water impact process.Finally，the conclusion is made that when t=0.35 s，the biggest displacement is 34.3 mm.When t=0.035 s，the biggest stress is 95 MPa.The biggest stress is within the material stress range and the body of the boat will not be destroyed.

ship deformation;impact load;free fall lifeboat

U662.3

A

1673-4807(2015)06-0511-05

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.001

2015-06-08

資金項(xiàng)目:鎮(zhèn)江市科技支撐基金資助項(xiàng)目(GY2014047)

蘇石川(1963—)，男，教授，研究方向?yàn)閯?dòng)力裝置性能優(yōu)化及可靠性.E-mail:15606103818@163.com

蘇石川，戴成龍，史俊，等.自由拋落式救生艇落水沖擊響應(yīng)及可靠性分析［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，29(6):511-515.