雙層底船舶擱淺損傷數(shù)值仿真研究

劉 念 周智慧 梁棋鈺 朱 凌

(武漢理工大學(xué)船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院1) 武漢 430063) (高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)

0 引 言

根據(jù)船舶與海底接觸的特性，船舶擱淺可分為兩類(lèi)：擱淺于相對(duì)松軟的沙灘上稱(chēng)為軟擱淺，擱淺于堅(jiān)硬的巖石上稱(chēng)為硬擱淺.研究船舶擱淺問(wèn)題，一個(gè)典型的方法是將擱淺過(guò)程解耦為兩個(gè)獨(dú)立的部分，即外部動(dòng)力學(xué)和內(nèi)部動(dòng)力學(xué).外部動(dòng)力學(xué)與擱淺船舶在水中的剛性運(yùn)動(dòng)有關(guān)，內(nèi)部動(dòng)力學(xué)關(guān)注船舶結(jié)構(gòu)在擱淺力作用下的變形受損及吸能情況.這樣不僅會(huì)使計(jì)算簡(jiǎn)化，而且對(duì)高速擱淺(擱淺速度大于8 m/s)進(jìn)行解耦分析不會(huì)引起明顯的分析誤差[1].

Card[2]最早基于統(tǒng)計(jì)分析法研究船舶擱淺問(wèn)題.Wierzbicki等[3]建立楔形體切割板架的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出了切割力的閉合解.Ohtsubo等[4]推導(dǎo)出了板架被切割的切割力上限解.Zhu等[5]基于FLD和FFLD的頸縮和斷裂破壞準(zhǔn)則，并將其推廣于船舶碰撞擱淺領(lǐng)域.Zhu等[6-7]提出了計(jì)算擱淺力及船舶損傷程度的半經(jīng)驗(yàn)公式，并創(chuàng)新性地對(duì)多礁石類(lèi)型的擱淺事故提出了研究方案.楊樹(shù)濤等[8]使用ABAQUS對(duì)船舶擱淺問(wèn)題進(jìn)行了研究.Zhu等[9]對(duì)船舶擱淺進(jìn)行了縮尺比實(shí)驗(yàn)，研究了內(nèi)動(dòng)力學(xué)與外動(dòng)力學(xué)的耦合效應(yīng)，研究表明擱淺過(guò)程中周?chē)驅(qū)Υ斑\(yùn)動(dòng)的影響較大.Zhou等[10]對(duì)船舶擱淺進(jìn)行了不同摩擦工況下的準(zhǔn)靜態(tài)切割實(shí)驗(yàn)，研究表明摩擦系數(shù)不會(huì)改變船底板的損傷模式，但在穩(wěn)定狀態(tài)下減小摩擦可以顯著減小擱淺力和能量吸收量.Liu等[11]提出了雙層底船擱淺問(wèn)題的數(shù)值模擬方案.國(guó)內(nèi)針對(duì)船舶擱淺的相關(guān)研究，在深度和廣度上開(kāi)展的都不夠充分，許多問(wèn)題諸如礁石形狀的影響等都未得到有效的處理.文中研究雙層底船舶在硬擱淺過(guò)程中的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題，并對(duì)不同礁石形狀的擱淺過(guò)程中，模型各構(gòu)件的變形及吸能情況進(jìn)行了具體分析.

由于擱淺事故通常會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的后果，數(shù)值模擬船舶擱淺這一非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，以及研究不同礁石形狀對(duì)船舶擱淺的影響，將有助于研究船舶在擱淺事故中的結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理，提高海洋浮式結(jié)構(gòu)物在擱淺事故中的抵抗性.

1 仿真分析驗(yàn)證

由Patrick[12]的實(shí)驗(yàn)可知，板架模型由兩個(gè)縱向構(gòu)件及其之間的橫向構(gòu)件組成，板架板厚1.12 mm，楔形體上下對(duì)稱(chēng)見(jiàn)圖1.

板架與礁石的接觸定義為通用接觸，將板架未與楔形體接觸的三邊固定，使礁石以300 mm/s的初速度沖向板架中間處，約束楔形體其他五個(gè)自由度，摩擦系數(shù)為0.3.

圖1 板架有限元模型

板架構(gòu)件均采用四節(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元S4R進(jìn)行建模，加密區(qū)網(wǎng)格大小為3 mm，非加密區(qū)為10 mm.板架采用A366鋼的材料參數(shù)進(jìn)行建模，材料應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2[13]，材料參數(shù)見(jiàn)表1.

圖2 A366鋼材料參數(shù)

表1 材料參數(shù)

在船舶碰撞擱淺過(guò)程中，應(yīng)力三軸度在板架形變區(qū)域變化較小，所以使用不考慮應(yīng)力三軸度的失效準(zhǔn)則也能相對(duì)較好的模擬板的沖擊破壞.常應(yīng)變失效準(zhǔn)則因其形式簡(jiǎn)單，確定臨界值的方法方便，所以在工業(yè)界被廣泛應(yīng)用，其表達(dá)式為

圖3 隨損傷逐漸退化的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(2)

(3)

為了驗(yàn)證數(shù)值仿真模型的可靠性，仿真得到切割力-位移曲線及板架的最終損壞變形情況，并將結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.楔形體切割板架的有限元數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)圖4.由圖4可知：仿真模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符，變化趨勢(shì)相近，驗(yàn)證了本文中數(shù)值模擬仿真的可靠性.

圖4 仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖

2 仿真分析模型

本文的仿真模型是7 000 t油船的縱骨架式雙層底分段，見(jiàn)圖5.船舶發(fā)生擱淺時(shí)，舷側(cè)板架和甲板板架的作用是保證底板四周的固定，基本上不參與變形.模型內(nèi)外底板長(zhǎng)寬均為28 m，縱桁高為2 m，縱骨高0.3 m，縱桁間距0.8 m，肋板間距4 m，雙層底各結(jié)構(gòu)板厚都為0.015 m；礁石為錐形剛性體，半徑和高度都為4 m，礁石頂端在雙層底以上1 m處.

雙層底板架采用S4R單元進(jìn)行建模，網(wǎng)格尺寸為0.1 m，考慮附連水質(zhì)量的影響，板架密度設(shè)為8 164 kg/m3.礁石采用R4D3單元建模，網(wǎng)格尺寸為0.3 m.將板架不與礁石接觸的其他三邊固定，只留下礁石擱淺方向的自由度和垂向自由度，礁石以15 m/s的初速度沿X軸負(fù)方向撞向板架中央，其他參數(shù)設(shè)置與上節(jié)相同.

圖5 雙底船舶擱淺數(shù)值仿真模型圖

3 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

3.1 船底結(jié)構(gòu)損傷變形模式

圖6為雙層底的擱淺變形是一個(gè)局部變形過(guò)程.圖6a)～6b)內(nèi)底板和內(nèi)底縱骨是損傷最輕的，底板膜拉伸、撕裂和縱骨屈曲、扭轉(zhuǎn)、折疊的位置集中在在裂縫附近；圖6c)中的縱桁局部發(fā)生了不同程度地壓潰損傷，中縱桁受到的擠壓力最大，損傷范圍也最大；圖6d)中的肋板的變形局限于和礁石接觸的部分，肋板在礁石撞擊的作用下發(fā)生膜變形進(jìn)而撕裂失效；圖6e)中的外底縱骨隨著板殼的變形發(fā)生大的屈曲和折疊，形成褶皺，最終失效；圖6f)中的外底板的損傷比較嚴(yán)重，初期撕裂形成裂縫后，外底板及板架構(gòu)件沿?cái)R淺方向逐漸撕裂損壞.

圖6 雙層底擱淺各結(jié)構(gòu)損傷圖

3.2 擱淺力結(jié)果及分析

圖7為仿真得出的雙層底結(jié)構(gòu)擱淺力與礁石位移曲線.X為礁石速度方向的擱淺力，Y為船寬方向的擱淺力，Z為垂直方向的擱淺力.X向和Z向擱淺力的周期相同，Y向擱淺力較小.擱淺力在擱淺初期呈大幅上漲的趨勢(shì)，隨著板材的壓潰失效，擱淺力有所下降，由于肋板的阻礙，在礁石運(yùn)動(dòng)周期性遇到肋板時(shí)，擱淺力周期性出現(xiàn)峰值.從整體來(lái)看，擱淺力呈減小趨勢(shì).

圖7 雙層底擱淺力-位移曲線

3.3 能量吸收結(jié)果及分析

圖8為擱淺過(guò)程中船底各構(gòu)件的內(nèi)能變化、整個(gè)雙層底的內(nèi)能變化及礁石動(dòng)能變化圖，其中的礁石動(dòng)能變化為絕對(duì)值.在雙層底各結(jié)構(gòu)的內(nèi)能變化中，縱桁是吸能最多的構(gòu)件.外底板內(nèi)能變化略低于縱桁內(nèi)能變化，兩者內(nèi)能變化總和可以達(dá)到70%；其次是肋板吸能，吸收的內(nèi)能占比約15%；內(nèi)底板和內(nèi)外底縱骨吸能是占比最少的，內(nèi)底縱骨吸能占比約1%.雙層底主要的內(nèi)能變化結(jié)構(gòu)是縱桁、外底板和肋板，內(nèi)底板和縱骨結(jié)構(gòu)內(nèi)能變化較少.

圖8 雙層底各結(jié)構(gòu)吸能情況

相比于肋板，縱桁的變形更嚴(yán)重，吸能占比更多，其主要原因是礁石擱淺的位置位于中縱桁的位置，但是擱淺力周期性下降的主要原因是肋板的阻礙，所以橫向強(qiáng)構(gòu)件對(duì)提高抗擱淺性能有重要作用.

3.4 礁石形狀對(duì)擱淺性能的影響

為了進(jìn)一步探討礁石形狀對(duì)船舶擱淺性能的影響，取礁石形狀為錐形、球形和臺(tái)形，見(jiàn)圖9a).考慮擱淺的實(shí)際工況，設(shè)置仿真模型中的錐形礁石頂部在雙層底以上1 m處，圓形礁石頂部在雙層底以上0.6 m處，臺(tái)形礁石底部在雙層底以上0.2 m處，見(jiàn)圖9b)，其他仿真條件不變，重復(fù)上述數(shù)值仿真.

圖9 礁石形狀

表2為三種礁石類(lèi)型的雙層底各結(jié)構(gòu)損傷情況，錐形礁石的外底板損傷為撕裂損傷，撕裂產(chǎn)生一條大的裂縫，球形礁石和臺(tái)形礁石的外底板損傷范圍較大，多為壓潰受損；對(duì)于錐形礁石的擱淺，縱桁向上和向兩側(cè)折疊，球形和臺(tái)形礁石擱淺的縱桁失效模式多為受到礁石和底板擠壓后壓潰失效；肋板的破損形狀與礁石形狀直接相關(guān)，肋板表面發(fā)生大撓度變形，以及嚴(yán)重屈曲扭轉(zhuǎn)，最終發(fā)生局部損傷變形；除錐形礁石擱淺時(shí)的內(nèi)底板發(fā)生破損外，其他兩種礁石的內(nèi)底損壞較輕，只是底板局部被拉伸.

表3為不同礁石擱淺中雙層底結(jié)構(gòu)內(nèi)能變化情況.由表3可知：球形礁石吸收的內(nèi)能是最多的，臺(tái)形礁石次之，錐形礁石吸收的內(nèi)能是最少的，這與表2中的各內(nèi)底板結(jié)構(gòu)變形程度一致；外底板和縱桁的變形受損是雙層底最主要的吸能模式.球形礁石和臺(tái)形礁石擱淺中，外底縱骨及外底板變形吸能占比相對(duì)較高，說(shuō)明這兩種類(lèi)型的礁石對(duì)外底板及底板縱骨破壞較多；三種礁石的肋板內(nèi)能變化量基本相同，說(shuō)明不管何種形狀的礁石，對(duì)肋板的破壞都是很徹底的折疊壓潰，且變形范圍也比較相近.

表2 不同礁石形狀的船底部構(gòu)件損傷變形圖

表3 不同礁石擱淺中雙層底結(jié)構(gòu)內(nèi)能變化情況

4 結(jié) 論

1) 楔形體切割板架數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性.

2) 雙層底船舶在擱淺過(guò)程中，內(nèi)外底板會(huì)產(chǎn)生膜拉伸直至撕裂變形；縱骨會(huì)彎曲，扭轉(zhuǎn)，壓皺甚至斷裂失效；肋板和縱桁會(huì)產(chǎn)生膜拉伸，屈曲，折疊直至撕裂或者壓潰失效.縱桁和外底板是最主要的吸能構(gòu)件.

3) 因?yàn)槔甙宓拇嬖冢瑪R淺力呈現(xiàn)周期性下降的趨勢(shì)，所以橫向強(qiáng)構(gòu)件的設(shè)計(jì)對(duì)于船舶抗擱淺性能有著重要的意義.

4) 相比于錐形礁石，球形礁石和臺(tái)形礁石對(duì)船底內(nèi)底板造成的損傷程度較小，對(duì)其他船底構(gòu)件造成的橫向損傷寬度較大，擱淺長(zhǎng)度較短.