采用U型夾層板的船舶上層建筑設計及抗爆性能分析

宋 娜，張可成，趙辰水，柯 力，王加夏，劉 昆 *

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；2.上海船舶運輸科學研究所，上海 200135)

0 引 言

隨著船舶與海洋工程結構物大型化、復雜化和工作環境危險性大的發展趨勢，以及對于安全要求的提高，對結構抗爆性能的要求也越來越高，促使結構設計水平進一步提升。采用傳統的“板加筋”結構形式和設計方法，并不能顯著提高船體特別是FPSO的結構性能，且由于結構質量不斷增加，大大制約了總體設計水平的提升。國外先進的結構設計、應用實例和其他相關領域的成功經驗表明，輕量化設計(即減輕結構質量、降低結構重心，同時滿足強度、安全及功能性要求)是目前各類船舶與海洋工程結構物設計的共同目標。

輕量化設計主要是將新材料、新型結構形式引入船舶與海洋工程結構物的設計當中，以滿足相關功能性(如抗爆、降噪、防火等)和質量要求。同時，根據具體要求解決設計建造過程中的各類技術問題，提出先進的加工制造工藝，在船舶與海洋工程領域實現應用[1-4]。

激光焊接夾層板由金屬面板與折疊式夾芯層通過激光焊接而成，應用于船舶與海洋工程結構物設計可有效減輕質量、降低重心位置、提升船舶綜合性能。激光焊接夾層板具有優越的減振降噪等性能，可增大支撐構件的跨度，減少支柱設置，提高空間布置的靈活性；其結構焊接變形小，可減少矯平工作及矯平材料使用量；此外還可減少構件數量、減小結構裸露面積。歐美等先進造船國家和地區開展了大量的研究[5-8]工作，取得了較多的研究成果，激光焊接夾層板已在艦船和豪華郵船等船舶上得到越來越廣泛的應用。

本文以典型船舶上層建筑為研究對象，針對上層建筑前端壁結構進行U型夾層板結構設計，并通過有限元數值仿真，對比分析爆炸載荷作用下U型夾層板結構與普通加筋板結構的抗爆性能，為船舶輕量化設計提供依據。

1 結構設計及優越性分析

1.1 U型夾層板結構形式

夾層板設計的基本思路主要分為兩種：(1)在保證U型夾層板結構與原設計結構質量相等且不影響原艙容的情況下，U型夾層板高度取加筋板腹板高度的50%～70%，提高結構抗爆性能；(2)在保證U型夾層板結構與原設計結構抗爆性能相當且艙容相等的情況下，實現結構減重。

本文以船體上層建筑端壁板架結構為研究對象，選取第一種設計思路，采用U型夾層板代替原有加筋板。如圖1所示：U型夾層板與加筋板的長、寬相同，分別為5.775 m、4.4 m，加強筋間距s=825 mm，加強筋尺寸為HP 200 mm×10 mm(HP為球扁鋼)，面板厚度t=12 mm；U型夾層板結構中，上面板厚度t1=4 mm，下面板厚度t2=4 mm，芯層厚度tc=2 mm，U型夾層板厚度hc=100 mm，夾芯單元長度w=100 mm，芯層與面板接觸面寬a=30 mm。

圖1 結構替代方案

1.2 上層建筑U型夾層板設計方案

為更好地評估U型夾層板結構的抗爆性能，便于在實際船舶上層建筑結構上推廣應用，取某FPSO上層建筑第三層整體結構作為參考對象，采用抗爆性能優良的U型夾層板替代上層建筑前端壁板結構。U型夾層板與上、下層甲板以及側圍壁之間的連接結構如圖2所示。板結構型寬48.9 m、長48.9 m、高3.2 m、加強筋尺寸為HP 200 mm×10 mm。按照上層建筑第三層前端壁結構尺寸設計的U型夾層板與加筋板的長、寬相同。

圖2 連接結構

加筋板與U型夾層板結構的有限元模型如圖3所示，采用殼單元建模，網格尺寸統一為25 mm，材料均為船用A級鋼，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，屈服強度σy=235 MPa，失效應變取0.3。爆炸載荷采用超壓峰值為0.5×105Pa、作用時間0.2 s的約束條件。采用Cowper-Symonds本構模型表征受應變率影響的材料在動態載荷作用下的應力-應變關系，計算公式[9]為

(1)

圖3 有限元模型

參照API規范[10]，以板架結構發生較大塑性變形時的載荷峰值作為設計載荷，施加超壓峰值Fmax= 0.4 MPa的簡化三角形爆炸載荷分別作用于兩種結構表面，載荷作用時間[11]如圖4所示，其中td為時間。U型夾層板與加筋板結構迎爆面均為上面板表面，兩種板架結構四周均施加剛性固定約束。

圖4 爆炸沖擊載荷

2 抗爆性能分析

爆炸載荷作用下加筋板與U型夾層板結構損傷變形如圖5～圖9及表1所示。從計算結果可以看出，在兩結構質量相當的前提下(U型夾層板端壁結構較原加筋板結構質量增加0.7%)，U型夾層板端壁結構的高應力、大變形區域的范圍和程度都比原加筋板端壁結構小，其中最大變形由98.8 mm降低至5.3 mm，最大應力由271.1 MPa降低至186.1 MPa。此外，U型夾層板結構較加筋板結構發生塑性變形的范圍及程度也有明顯改善。

表1 結構響應情況

圖10為加筋板與U型夾層板結構塑性變形局部云圖。從圖10看出，兩種結構形式發生較大變形的區域均為前端壁延伸區域，其中加筋板最大變形區域為延伸區域端部板架中間，U型夾層板則為延伸區域板架頂部。U型夾層板云圖顯示的塑性變形區域大于加筋板。這是由于加筋板前端壁塑性變形量較大，導致后部的塑性變形在云圖上的顯示并不明顯，而U型夾層板塑性變形量較小，因此塑性變形顯示的區域也變大。同時，從損傷變形的量級也足以表明，U型夾層板結構前端壁的抗爆性能與加筋板結構相比具有明顯的優越性，更加適合用于船舶上層建筑端壁結構，能有效抵抗爆炸沖擊，保護艙室內人員及設備結構的安全。

圖5 結構應力

圖6 結構變形

圖7 塑性應變

圖8 加筋板前端壁吸能

圖9 U型夾層板前端壁吸能

圖10 局部結構損傷變形

3 結 論

以船舶典型上層建筑端壁板架結構為研究對象，利用非線性數值仿真技術分析了結構在典型爆炸載荷作用下的動態響應問題。設計U型夾層板結構，對比普通加筋板與U型夾層板的抗爆性能，并開展上層建筑前端壁結構抗爆性能有限元分析，分別對加筋板結構和U型夾層板結構構成的上層建筑前端壁的抗爆性能進行分析，得出以下結論：

(1)當質量相等時，爆炸載荷沖擊作用下的U型夾層板抗爆性能優于傳統加筋板，計算出的U型夾層板結構的損傷變形，包括板架中心變形、應力及塑性應變值均較加筋板結構更具優勢。

(2)以質量相等為原則設計的U型夾層板上層建筑結構在爆炸載荷作用下的動態響應弱于加筋板結構，其應力水平下降了近30%，損失變形、塑性應變及吸能情況均得到改善，表明U型夾層板結構具有較為優良的抗爆性能。

(3)爆炸載荷作用下上層建筑結構的變形主要出現在前端壁延伸區域，該處結構后部缺少支撐構件，易發生較大變形從而吸收大量能量。與普通加筋板相比，U型夾層板構成的上層建筑前端壁結構在延伸區域的變形相對較小，主要變形位置由板架中部轉移到板架頂部，且整體變形程度減弱，因此可以看出U型夾層板前端壁具有相對優越的抗爆能力。