基于鋼夾層板（SPS）的FPSO舷側(cè)耐撞性能分析

嚴(yán)鋒 李艷貞

摘 要：鋼夾層板系統(tǒng)（SPS）具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，能有效提高船舶的耐撞性能。本文使用ANSYS/LS-DYNA軟件，采用復(fù)合材料模型，對(duì)于一艘5000噸工作船撞擊30萬噸級(jí)FPSO舷側(cè)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并研究了SPS系統(tǒng)參數(shù)對(duì)耐撞性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明，SPS結(jié)構(gòu)能有效提高船舶的耐撞性能。

關(guān)鍵詞：鋼夾層板；船舶耐撞性；船舶非線性碰撞分析

中圖分類號(hào)：U661.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

FPSO常年系泊在海上作業(yè)，需要工作船經(jīng)常為其輸送燃料、淡水及其他生產(chǎn)、生活所需的各種物料。由于兩個(gè)物體都在漂浮狀態(tài)下近距離作業(yè)，相互碰撞的幾率很高，尤其是單殼油輪，萬一發(fā)生碰撞，極有可能發(fā)生原油泄漏，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，有必要在 FPSO裝卸區(qū)域安裝保護(hù)裝置。

SPS結(jié)構(gòu)是IE和Elastogran公司合作研制的新型夾層板構(gòu)件系統(tǒng)，由兩層鋼板及中間的高分子芯材組成。它具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、抗沖擊、耐疲勞、減震等優(yōu)點(diǎn)，如今在船舶及海洋工程方面運(yùn)用得越來越廣。KITAMUR提出了骨架板和波紋板結(jié)構(gòu)[1]；王自力、張延昌提出了兩種夾層結(jié)構(gòu)蜂窩式和折疊式夾層板結(jié)構(gòu)[2]；美國(guó)海軍開展了SPS的物理性能、設(shè)計(jì)參數(shù)和生產(chǎn)技術(shù)等方面的研究工作[2]。

本文對(duì)一舷側(cè)帶有SPS防撞裝置的FPSO的防撞性能進(jìn)行了研究，評(píng)價(jià)了SPS裝置的防撞性能。

2 計(jì)算方法及分析模型

2.1 計(jì)算方法

船舶碰撞是在極短時(shí)間內(nèi)，在巨大瞬態(tài)載荷作用下的一種強(qiáng)非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。船舶碰撞仿真主要有三種方法：附連水質(zhì)量法、等效船體梁法[3]和流固耦合法[4]。其中流固耦合法精度最高，但所需的計(jì)算機(jī)資源也最多；附連水質(zhì)量法與等效船體梁法雖然計(jì)算精度不及流固耦合法，但所用的計(jì)算機(jī)資源少。本文采用附連水質(zhì)量法及分析計(jì)算碰撞發(fā)生的整個(gè)過程。

2.2 分析模型

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文引用以下幾點(diǎn)假設(shè)：

（1）一般而言，船首剛度遠(yuǎn)大于被撞船舷側(cè)部分剛度，因此假設(shè)撞擊船為剛體，僅建立首尖艙部分的模型，船體質(zhì)量與附連水質(zhì)量折算到首部密度中，保證撞擊初始動(dòng)能與整船一致；

（2）由于撞擊船與FPSO質(zhì)量相差較大，而且碰撞是一個(gè)短暫的過程，F(xiàn)PSO運(yùn)動(dòng)與其局部變形相比有著滯后性[5]，因此模型只包括一個(gè)艙段的舷側(cè)部分，且不考慮FPSO的附連水質(zhì)量。在艙段兩端取固定邊界條件，有限元模型如圖1所示。

圖 1 計(jì)算有限元模型

2.3 材料本構(gòu)模型

合理選擇結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)關(guān)系是碰撞分析中的重要內(nèi)容。為了更真實(shí)地反應(yīng)材料特性，本文對(duì)非SPS部分的碰撞區(qū)如強(qiáng)框架、舷側(cè)縱桁等采用了隨動(dòng)塑性模型，應(yīng)變率用Cowper-Symonds模型來考慮，其本構(gòu)方程為：

σy =[1+ ]（ σ0+βEpεpeff） （1）

式中：σ0為初始屈服應(yīng)力；ε為應(yīng)變率；C和P為Cowper-Symonds應(yīng)變率參數(shù)；εpeff為有效塑性應(yīng)變；Ep為塑性硬化模量，由下式給出：

Ep=

E為彈性模量；Etan為切線模量。

對(duì)SPS外板采用LS-DYNA的復(fù)合板模型，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.4 接觸算法

本計(jì)算對(duì)船-船部分采用面-面接觸算法，對(duì)FPSO本身采用自動(dòng)單面接觸算法。對(duì)FPSO碰撞區(qū)網(wǎng)格大小為200×200 mm，對(duì)撞擊船網(wǎng)格大小為50×50 mm。當(dāng)碰撞區(qū)單元失效后，程序會(huì)自動(dòng)刪除，形成破損區(qū)。

3 數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果及分析

假定工作船的碰撞初速度為2 m/s， FPSO無初始運(yùn)動(dòng)。考慮到最危險(xiǎn)的碰撞情景，撞擊點(diǎn)位于縱向和垂向強(qiáng)框架中間，撞擊角度為90°，即垂向撞擊FPSO舷側(cè)。本文對(duì)以下幾種工況進(jìn)行了計(jì)算（見表2），其中工況1中為無SPS防撞裝置，工況2為有SPS防撞裝置。

表2 計(jì)算工況

3.1 最大應(yīng)力

圖2為工況1無SPS防撞裝置的舷側(cè)外板最大應(yīng)力云圖，其舷側(cè)外板最大應(yīng)力為480.2MPa；圖3為工況2有SPS防撞裝置的舷側(cè)外板最大應(yīng)力云圖，其舷側(cè)外板最大應(yīng)力為459.7 MPa。由此可見，SPS裝置降低了FPSO舷側(cè)結(jié)構(gòu)由碰撞產(chǎn)生的應(yīng)力。

圖2 工況1最大應(yīng)力云圖

圖3 工況2最大應(yīng)力云圖

3.2 能量吸收

圖4為工況1和工況2舷側(cè)外板能量吸收隨撞深變化的曲線。由圖中可以看出，在撞深為0.35 m時(shí)，有SPS時(shí)FPSO舷側(cè)外板吸收的能量為1.45×106J，而普通舷側(cè)外板吸收的能量為1.15×106J ，吸收能量增加了26%，這說明SPS裝置顯著提高了FPSO的耐撞性。

圖4 舷側(cè)外板能量吸收隨時(shí)間變化的曲線

圖5 碰撞力-撞深曲線

3.3 碰撞力和撞深

圖5為工況1和工況2的碰撞力-撞深曲線。碰撞力隨撞深的變化曲線可以反映出結(jié)構(gòu)的碰撞剛度，以及撞擊船的位移和碰撞力的大小。從圖中可以看出，兩種工況下碰撞力的變化趨勢(shì)基本上一致，在碰撞的初始階段，隨著撞深的增加，碰撞力逐漸增大，在碰撞中間階段，碰撞力平緩發(fā)展，而在碰撞結(jié)束時(shí)刻，碰撞力近似線性地卸載。從圖中得知，與普通舷側(cè)結(jié)構(gòu)相比，SPS夾層板的碰撞力由1.63×107 N增加到1.75×107 N，最大撞深從0.56 m減小到0.49 m，這是因?yàn)镾PS夾層板由兩層鋼板及中間芯層構(gòu)成，增加了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，因而增加了結(jié)構(gòu)的抵抗力，使得碰撞力增加、撞深減小，從而提高了結(jié)構(gòu)的耐撞性。

4 結(jié)論

利用非線性有限元?jiǎng)恿Ψ抡娉绦騆S-DYNA計(jì)算了FPSO舷側(cè)遭受5 000 t工作船側(cè)向撞擊時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)過程，比較了SPS裝置對(duì)FPSO舷側(cè)抗撞性能的影響，得到了以下結(jié)論：

（1）在同樣的碰撞條件下，SPS裝置降低了舷側(cè)外板的碰撞應(yīng)力；

（2）碰撞力——撞深曲線是一條非線性曲線，在碰撞的初始階段，隨著撞深的增加，碰撞力逐漸增大，在碰撞中間階段，碰撞力平緩發(fā)展，而在碰撞結(jié)束時(shí)刻，碰撞力近似線性地卸載；

（3）撞深相同時(shí)，有SPS裝置時(shí)FPSO舷側(cè)外板吸收的能量比普通舷側(cè)外板吸收的能量增加了26%，這說明SPS裝置顯著提高了FPSO的耐撞性；

（4）SPS裝置增加了FPSO舷側(cè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，因而增加了結(jié)構(gòu)的抵抗力，使得FPSO舷側(cè)外板碰撞力增加、撞深減小，從而提高了FPSO舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耐撞性。

參考文獻(xiàn)

[1]KITAMURAO.Comparative study on collision resistance of side structure [J].

Marine Technology， 1998 .

[2]張延昌，王自力，羅金，羅廣恩.基于蜂窩式夾層板FPSO結(jié)構(gòu)直接設(shè)

計(jì).第四屆全國(guó)船舶與海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.[C].第四屆全國(guó)船舶與

海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議.2009.

[3]王自力，顧永寧.船舶碰撞數(shù)值仿真的一種組合模型.[J]華東船舶工業(yè)學(xué)

院學(xué)報(bào)，2001.

[4] 王自力，顧永寧. 船舶碰撞動(dòng)力學(xué)過程的數(shù)值仿真研究.[J].爆炸與沖

擊，2001.

[5]江華濤，顧永寧 .整船碰撞非線性有限元仿真.[J].上海造船，2002..