舷側齒型縱桁耐撞性初探

王 林，李南南

(1.江蘇科技大學船舶與建筑工程學院，江蘇張家港215600)

(2.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江212003)

舷側齒型縱桁耐撞性初探

王 林1，李南南2

(1.江蘇科技大學船舶與建筑工程學院，江蘇張家港215600)

(2.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江212003)

船舶碰撞通常導致船艙進水或變形、海洋環境污染以及人員傷亡等后果.為提高船舶舷側的耐撞性，以某雙殼油船舷側為研究對象，設計一種齒型縱桁，并將其與傳統舷側結構相結合，形成一種新型舷側結構.采用數值仿真軟件建立舷側模型，選取舷側3個典型位置，對比新舊結構的吸能能力、碰撞力峰值和極限撞深.數值仿真結果表明:齒型縱桁舷側結構具有較好的耐撞性.

船舶碰撞;雙殼船;耐撞性;齒型縱桁

國際海事組織(IMO)作為聯合國負責海上航行安全和防止船舶海洋污染的專門機構，一直致力于海洋防污染和航行安全公約的制定和相關技術的推廣［1］，它于2003年制訂了雙殼油船規則.對于油輪來說，雙殼結構的設置不僅降低了碰撞、擱淺等事故發生后貨油泄露到大海中的幾率，同時也增大了船舶整體的強度和剛度.對于具有寬大貨艙口的船舶，設置雙層舷側結構幾乎使剪力下降為原來的一半，大幅提高了船舶的抗剪能力.因此，在諸如FPSO、大型油船、大型集裝箱船和散貨船等，都會設置雙殼結構［2］.

舷側縱桁(side stringer)是雙殼船上連接內外殼板的縱向加強構件，舷側縱桁作為肋板及其他構件的支點，可以將載荷傳遞給強框架及內縱艙壁［3］，因此，舷側縱桁對船體結構的強度影響很大.在船舶發生碰撞時，舷側內外殼板是主要的吸能構件，舷側縱桁由于連接這些主要吸能構件，其剛度對載荷的傳遞產生重要影響.因此，許多學者和工程技術人員相繼設計了多種類型的舷側縱桁結構來改善船舶的耐撞性能，文獻［4］中研究了菱形舷側結構的角度問題，文獻［5］中設計了帽形和半圓形舷側結構等.

1 碰撞方案

船舶碰撞事故中，一般認為一艘船的船首90°垂直撞擊另一艘船的舷側是最危險的工況［6］.文中模擬排水量為10 000 t帶球鼻艏的船，以10 m/s的速度垂直撞擊載重噸159 000 DWT雙殼油船舷側的情況.在整船模型碰撞分析中，發現碰撞應力區集中在8～10個肋位之間［7］.因此，選擇被撞船貨艙區的一個艙段，因船底和甲板在碰撞過程中吸能和變形較小，故將其略去，舷側與甲板和舭部的連接作為邊界用約束代替，建模區域為舷側部分，模型尺寸為19.2 m×18 m×2.4 m.被撞船材料為普通Q235船用碳素鋼，采用Cowper-Symonds本構材料模型，并考慮材料應變率敏感性影響，應變率參數為40.4.圖1為該油船典型中橫剖面，圖中標注了主要構件的布置和尺寸.該船的有關參數見表1.

圖1 被撞船有限元模型(單位:mm)Fig.1 Finite element model of the damaged ship(unit:mm)

表1 159 000 DWT油船主尺度參數Table 1 Principle dimension of 159 000 DWT oil tanker

2 齒型縱桁設計思想

參與船體總縱強度的舷側縱向連續構件有舷側外板、舷側縱桁和縱骨等［10］.文中提出一種新型(齒型)縱桁，即用鋼板將縱桁頂端兩側的縱骨相連，形成齒型結構.將其應用于雙殼舷側結構上，取代傳統雙殼舷側間的縱桁結構，其他結構不變.當舷側受到沖擊作用時，將有更多的結構參與變形.為保持舷側的整體結構性能，新型舷側縱桁與傳統舷側縱桁結構質量相等，原縱桁厚度為12 mm，齒型縱桁厚度近似取為11 mm，如圖2.

圖2 新舊縱桁對比(單位:mm)Fig.2 Comparison chart of new and old stringer(unit:mm)

3 有限元模型及工況

碰撞位置:傳統舷側結構和齒型縱桁舷側結構的撞擊位置分別如圖3中所示的3個位置:位置1為縱桁和橫框架的交點;位置2為縱桁上的橫框架中間位置;位置3為縱桁和橫框架圍成的長方體空箱位置，有限元模型和碰撞方案如圖3，表2為工況對比分組情況.

圖3 舷側雙殼結構有限元模型Fig.3 FEM of the double side structure

表2 工況對比分組Table 2 Load case comparision group

4 新舊雙殼舷側結構碰撞性能分析

4.1 損傷變形

圖4為傳統雙舷側結構在碰撞時間t=0.315 s時內殼板破裂，此時對應結構的極限撞深D為3.022 48 m，外板和外縱骨主要發生拉伸和撕裂變形，縱桁和框架主要發生壓皺變形.

圖4 傳統舷側結構碰撞損傷變形(t=0.315 s)Fig.4 Damage deformation of the old struck side structure

圖5為新型雙舷側結構在t=0.340 s時內殼板破裂，此時對應結構的極限撞深D為3.043 m，外板和外縱骨主要發生拉伸和撕裂變形，縱桁和框架主要發生壓皺變形.新型舷側結構損傷變形如圖5.

圖5 新型舷側結構碰撞損傷變形(t=0.340 s)Fig.5 Damage deformation of the new struck side structure

4.2 能量吸收

圖6為傳統舷側結構和齒型縱桁舷側結構在碰撞過程中的能量E曲線.從該曲線可以看出:①結構各部分的能量曲線趨勢呈現一致性，在碰撞載荷下的結構吸能首先隨著撞深D的增加而增加，達到最大值后逐漸趨于定值;② 在傳統舷側結構中，外板吸收能量最多，是結構的主要吸能構件，其次是強框架，然后是縱桁和內縱艙壁，縱骨吸收能量最少;③新型縱桁舷側結構中縱桁代替傳統結構中舷側外板成為主要的吸能結構，其次是舷側外板，然后是框架和內縱艙壁;④值得一提的是，新型結構中面板、強框架和內縱艙壁的吸能也有增加.表3為新舊舷側結構各構件在極限撞深時刻對應的吸能結果匯總.

圖6 吸能-撞深歷程曲線Fig.6 Energy absorption-displacement curves

表3 舷側結構各構件吸能Table 3 Energy absorption of structural components

4.3 碰撞力和撞頭速度變化

圖7為傳統舷側結構和新型(齒型)縱桁舷側結構在碰撞過程中的碰撞力F-撞深D曲線.由該曲線可以看出:①碰撞力曲線具有明顯的波動性，這是由于構件出現多次加載卸載過程;② 新舊結構的碰撞力都具有兩個明顯的峰值載荷，分別對應內外板破裂時撞深，且新式結構的碰撞力普遍高于傳統結構，這是由于新型結構的剛度較原結構大.圖8為傳統舷側結構和齒型縱桁舷側結構在碰撞過程中的速度-撞深歷程曲線.從該曲線可以看出:兩種結構中對應的撞球在碰撞沖擊載荷作用下的速度曲線趨勢一致，速度首先減少后逐漸趨于定值，此時傳統結構中對應撞頭的速度由10 m/s減少到8.77 m/s，新型結構中對應撞頭的速度由10 m/s減少到8.45 m/s.表4為新舊結構計算對比.

圖8 撞球速度變化曲線Fig.8 Velocity-time curves

圖7 碰撞力-撞深曲線Fig.7 Collision force-displacement curve

表4 新舊結構計算結果對比Table 4 Calculation results of new and old structure

4.4 齒型縱桁舷側結構與傳統舷側結構耐撞性能比較

傳統及齒型縱桁舷側結構性能碰撞數見表5.

表5 傳統及齒型縱桁舷側結構碰撞性能參數Table 5 Results of two side structures

續表

5 結論

1)將齒型舷側縱桁應用于船體結構上時舷側外板和內縱艙壁之間的結構剛度降低，齒型縱桁端部連接舷側外板區域增大，可以使雙殼船舶舷側有更多結構參與變形，增加結構的能量吸收能力;

2)對于齒型縱桁舷側結構和傳統舷側結構，當撞擊位置在1、2處，結構吸能分別增加33.%和18.9%，結構失效時間較傳統結構略有延遲;當撞擊位置在3處，結構吸能、失效時間、撞球剩余速度、碰撞力均與傳統結構相近;

3)在傳統舷側結構中，舷側外板是主要的吸能構件，新型舷側結構中，縱桁的吸能明顯增加，外板縱骨吸能與強框架吸能能力相差懸殊.

References)

［1］ 楊世知.綠色船舶發展框架及技術前沿［J］.中國海事，2013(11):40-42.Yang Shizhi.Framework and technology frontier on green ship development［J］.China Maritime Safety，2013(11):40-42.(in Chinese)

［2］Huang Yanshun.Structural reliability analysis of a single hull bulk carrier and a double hull bulk carrier［J］.Journal of Ship Mechanics，2007(6):62

［3］ 楊永祥.船舶與海洋平臺結構［M］.北京:國防工業出版社，2008:55.

［4］ 秦洪德，紀肖.油船菱形耐撞結構研究［J］.船海工程，2011，40(1):1-4.Qin Hongde，Ji Xiao.The tankr crashworthiness structure of diamond［J］.Ship＆Ocean Engineering，2011，40(1):1-4.(in Chinese)

［5］藺曉紅，王敏.新型舷側防護結構耐撞性能研究［J］.船海工程，2013，42(1):9-12.Lin Xiaohong，Wang min.The new broadside protection structure crashworthiness research［J］.Ship＆Ocean Engineering，2013，42(1):9-12.(in Chinese)

［6］ 劉敬喜，葉文兵，胡紫劍.單殼船舷側結構的碰撞分析［J］.中國造船，2008，49(21):124-132.Liu Jingxi，Ye Wenbing，Hu Zijian.Collision analysis of single hull ship structure［J］.Shipbuilding of China.2008，49(21):124-132.(in Chinese)

［7］ 黃毅銘.船舶舷側新型耐撞結構研究［D］.江蘇鎮江:江蘇科技大學，2014:47.

(責任編輯:貢洪殿)

Study on crashworthiness of tooth grider side structure

Wang Lin1，Li Nannan2

(1.School of Naval Architecture and Civil Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhangjiagang Jiangsu 215600，China) (2.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

Ship collision is a common form of marine accidents，usually resulting in Cabin floods or deformation，marine pollution and casualties and other consequences.In order to improve the crashworthiness of ship broadside，we take a double hull oil tanker as the research object，design a tooth girder，and apply it to the traditional side structure.Using numerical simulation software ABAQUS，we establish a broadside model，select three typical broadside positions，and compare the energy absorption capacity，the impact force and limit hit depth of the new and the old structures.Simulation results show that the tooth stringer side structure has better crashworthiness.

ship collision;double hull tanker;broadside crashworthiness;tooth stringer

U663

A

1673-4807(2015)06-0516-05

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.002

2015-04-01

王林(1963—)，男，教授，研究方向為船舶與海洋工程結構力學.E-mail:wlin40@163.com

王林，李南南.舷側齒型縱桁耐撞性初探［J］.江蘇科技大學學報(自然科學版)，2015，29(6):516-520.