SPS 覆層船艏局部加強結構的抗砰擊性能仿真分析

田阿利，姚鵬，傅梓軒，趙元帥

江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江212003

0 引 言

船舶在惡劣海況中航行時，船艏易遭受砰擊載荷作用，嚴重時，還會對船艏局部結構構成威脅［1］，因此，提升船艏在砰擊載荷作用下的極限承載能力就顯得尤為重要。傳統的船艏結構增強思路是通過增加板材厚度來提升其極限承載能力，這種方法雖然一定程度上提高了船艏結構的強度，但同時也增加了船體的總重，降低了船舶運載能力，且不符合節能減排的環保理念。因此，建立一種新型的加強結構，提升船艏在砰擊載荷作用下的極限承載能力十分有必要。

Sandwich plate system（SPS）技術是由英國IE公司提出的［2］，之后，英國的IE、德國的BASF 和韓國的大宇造船等公司一直致力于SPS 技術在造船領域的應用研究，旨在替代艦船上傳統的加筋板結構。目前，SPS 技術主要應用在船舶制造和橋梁修建等領域。與傳統的鋼結構相比，SPS 夾層板具有輕質、高比強度、高比剛度、吸能減振、抗爆抗沖擊及隔熱、隱身等優點，可抵抗船舶突發的沖擊、碰撞等劇烈載荷［3-4］。英國的IE 公司與英國勞氏船級社（LR 船級社）以及日本川崎造船公司曾聯合設計以SPS 夾層板為基材的艏部結構，用以降低船艏在承受碰撞等沖擊載荷作用時的損傷程度［5］。這表明，將SPS 夾層板應用于船艏結構建造中是可行的。采用SPS 夾層板替代傳統的鋼結構不僅能提升船體的抗沖擊性能、減少應力集中，同時，由于SPS 夾層板結構簡單，還能實現模塊化制造安裝，便于施工與維護。

馬英華等［3］針對雙殼油輪舷側內、外殼，采用SPS 夾層板進行了改裝設計，結果表明，SPS 夾層板結構能夠提升船體結構的極限撞深與耐撞性指標。周紅等［6］分析了SPS 夾層板在碰撞沖擊載荷下的力學行為，指出SPS 夾層板的碰撞性能要優于加筋板架和折疊式夾層板。劉昆等［7］的研究表明，SPS 夾層板對水下爆炸沖擊波載荷具有較好的緩沖及卸載效果。黃超等［8］通過數值模擬，驗證了SPS 夾層板在艦船抗爆方面的優越力學性能，為提高艦船結構防護設計提供了新的思路。

本文將采用SPS 夾層板用于加強易遭受砰擊載荷作用的船艏，以期提升船艏在砰擊載荷作用下的極限承載能力。首先，以外飄砰擊為計算工況，采用LS-DYNA有限元軟件中的任意拉格朗日-歐拉方法（arbitrary lagrangian-eulerian，ALE）方法，建立SPS 覆層船艏砰擊有限元模型，然后，分析采用SPS 覆層局部加強的船艏在承受外飄砰擊時的動態力學響應特性，用以提升船艏砰擊極限承載能力，為實現高性能船舶設計制造提供參考。

1 船艏砰擊計算模型

選取某巡邏船的局部船艏作為研究對象，在質量相當的前提下設計SPS 覆層用來替代原鋼質船艏外板，形成SPS 船艏的局部加強結構。

依據鋼材厚度，將傳統的鋼質船艏劃分為6 個組件，圖1 所示為船艏結構劃分示意圖。

圖1 船艏結構劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of bow structure division

由圖1 可知，船艏組件1、組件5 和組件6 組成船艏底板及舷側外板。鋼質船艏組件1、組件5 和組件6 的板材厚度分別為8，10 和12 mm。采用SPS 夾層板替換船艏舷側外板及底板（即組件1、組件5 和組件6）。《鋼夾層板材料船舶結構建造指南》［9］中定義，SPS 夾層板的底板為SPS 夾層板中與船體主要結構組件一側連接的鋼板，頂板為另一側的鋼板，頂板對應于船體外板。SPS 夾層板面板與芯層厚度參考文獻［9］中確定的尺寸范圍，以提升結構抗沖擊性能為目標設計其厚度。SPS夾層板的面板、芯層替換參數如表1 所示。

SPS 覆層船艏與鋼質船艏的總質量分別為127 363 和127 820 kg，質量偏差在1%以內。

1.1 SPS 船艏有限元模型

外飄砰擊三維船艏有限元模型如圖2 所示。船艏初始吃水為4.5 m，初始垂向速度為10 m/s。在計算分析中，建立考慮航速的三維船艏模型能夠更真實地反應船艏外飄砰擊過程［10］，因此，將船艏初始航速設置為15 kn。

表1 SPS 覆層船艏各組件結構尺寸參數Table 1 Structural dimensions of SPS-clad bow components

圖2 船艏外飄砰擊有限元模型Fig.2 Finite element model of bow under flare slamming condition

船艏總體結構較復雜，采用層合板建模法可以滿足一般精度，極大地提高計算速度［3］，因此，本文船艏采用層合板模型實現建模。流體（水域與空氣域）采用Solid 164 單元建模，空氣域與水域采用ALE 多物質耦合算法。

由圖2 可知：模型細化了靠近船艏外飄砰擊區域（接觸區）的網格，其他區域網格則采用非均勻方式劃分。在兼顧計算精度與計算效率的情況下，將接觸區域內的網格尺寸設為0.2 m×0.2 m×0.2 m，空氣域模型尺寸為35 m×30 m×15 m，水域的模型尺寸為35 m×30 m×10 m。

由于流固耦合數值計算成本較高，為避免邊界波反射影響求解結果，對流體域施加無反射邊界條件來模擬無限大的空間。

1.2 參數設置

鋼質船艏鋼板與SPS 夾層板面板的材料均為DH36 鋼，SPS 夾層板芯層材料為聚氨酯，2 種材料的具體參數如表2 所示。考慮到材料的應變率敏感性影響，本文采用Cowper-Symonds 本構模型描述DH36 鋼［11］的應變率效應。

使用關鍵字*PART_COMPOSITE 定義SPS 夾層板面板與芯層的材料與厚度。

空氣域與水域的材料參數由關鍵字*MAT_NULL 定義。空氣域采用線性多項式Poly?nomial 狀態方程，密度為1.25 kg/m3，由關鍵字*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 定義，狀態方程參數C4，C5均 為0.4［12］。水 域 采 用Gruneisen 狀 態 方程，密度定義為1 000 kg/m3，由關鍵字*EOS_GRU?NEISEN 定義，材料聲速為1 480 m/s，伽馬率系數GAMAO 為0.35。

表2 SPS 夾層板面板及芯層的材料參數Table 2 The material parameters of SPS

2 SPS 覆層船艏抗砰擊性能

2.1 SPS 覆層船艏吸能特性

比吸能（energy absorption coefficient，EAC）是指吸能構件單位質量所吸收的能量［8］，是衡量結構物抗沖擊性能的重要指標。

圖3 所示為2 種船艏模型總體比吸能變化對比曲線。由圖可知：在外飄砰擊載荷作用下，SPS覆層局部加強船艏的比吸能曲線與鋼質船艏的變化趨勢一致，但SPS 覆層船艏的總體比吸能明顯優于傳統鋼質船艏。在砰擊載荷作用的初始時間段，即t=0～9 ms 時刻，船艏的比吸能值迅速提升，其中SPS 覆層船艏的比吸能局部峰值為8.75 J/kg，鋼質船艏的比吸能局部峰值為7.26 J/kg。在t=9 ms之后，船艏的比吸能繼續提高，直到在t=70 ms達到峰值時比吸能才逐漸緩慢下降。鋼質船艏的總體比吸能峰值為8.48 J/kg，SPS 覆層船艏的總體比吸能峰值為10.02 J/kg，與鋼質船艏相比，SPS 覆層船艏的總體比吸能峰值提升了18.2%，這表明SPS 覆層船艏在砰擊載荷作用下的吸能效果穩定，且顯著優于鋼質船艏。

圖3 船艏總體比吸能對比Fig.3 The overall EAC comparison of bow

圖4 所示為2 種船艏模型不同組件（以組件1與組件5 為例）的比吸能變化對比曲線。由圖可以看出，SPS 覆層船艏與鋼質船艏外板同一組件的吸能曲線其變化趨勢一致。與鋼質船艏相比，采用SPS 夾層板替換后，船艏外板組件1 與組件5的吸能效果有明顯的提升。

圖4 船艏組件比吸能變化Fig.4 The EAC variation of bow components

表3 給出了SPS 覆層船艏和鋼質船艏各組件與總體結構的比吸能對比結果。從表中可以看出，SPS 覆層船艏局部加強結構的總體及外板組件的比吸能值均高于傳統的鋼質船艏結構。其中：SPS 覆層船艏局部加強結構的總體比吸能峰值比鋼質船艏高18.2%；主要吸能組件中，組件1的吸能提升比例最高，達到了41.3%。這說明采用SPS 夾層板替代船艏外板后，SPS 覆層船艏外板成為主要的吸能組件，能夠有效保護內部結構。

表3 船艏各組件比吸能對比Table 3 The EAC comparison of bow components

從船艏內部組件2 的對比結果可以看出，SPS覆層設計船艏內部結構組件2 的比吸能峰值與鋼質船艏相比降低了16.5%，這表明采用SPS 夾層板替代船艏外板后，砰擊載荷對船艏內部結構的沖擊減小了，船艏內部結構能夠得到有效的保護。

由于船艏主要承受外飄砰擊載荷作用，而組件6 主要構成船艏底部，所以SPS 覆層船艏底板組件6 的比吸能提升較少，僅為2.2%，而SPS 覆層船艏舷側內部組件3 的吸能峰值增幅達48.4%，這表明采用SPS 夾層板替換船艏外板后，船艏內部結構的吸能效果受砰擊載荷作用區域的影響較大，船艏總體結構的吸能效果有較大提升。

通過對比2 種船艏模型的比吸能值可知，采用SPS 覆層結構實現船艏局部加強，能夠有效提升船艏在砰擊載荷作用下的吸能效果，且能有效保護內部結構的安全。

2.2 SPS 覆層船艏應力、應變分析

2.2.1 SPS 覆層船艏外板應力、應變

圖5 所示為鋼質船艏與SPS 覆層船艏外板砰擊中心單元的等效應力時歷曲線。由圖5 可知：SPS 覆層船艏與鋼質船艏外板的應力變化趨勢相同，當砰擊載荷作用于船艏外板時，外板的砰擊應力迅速達到峰值。由于船體結構與流體的耦合作用，應力曲線不斷振蕩。在t=9 ms 時刻，鋼質船艏外板中心單元的應力峰值為163 MPa；在t=8 ms 時刻，SPS 夾層板底板的應力達峰值232 MPa，SPS 夾層板頂板的應力峰值為297 MPa。

圖5 船艏外板砰擊中心單元應力時歷曲線Fig.5 Stress time histories of bow plates at slamming center

依據《鋼質海船入級規范》［13］，對船艏舷側砰擊中心單元的許用應力進行校核。舷側外板許用應力計算公式為σe=220/K，其中σe為許用應力，K為材料系數，DH36 鋼的材料系數K=0.72。經計算，可得砰擊中心單元的許用應力為305 MPa。在砰擊中心單元處，SPS 夾層板頂板與鋼質船艏外板的應力峰值均在許用范圍內，未發生失效。SPS 夾層板與鋼質船艏外板的應力峰值均小于DH36 鋼材的屈服應力，未出現塑性變形。

圖6 給出了外飄砰擊工況下鋼質船艏與SPS覆層船艏外板的極限應力時歷對比曲線，船艏外板的極限應力值出現在艏柱部位。由圖6 可知：在砰擊載荷作用下船體外板會出現瞬時高應力，隨后，應力迅速降低。在外飄砰擊載荷作用下，SPS 覆層船艏與鋼質船艏外板的極限應力變化趨勢相近。在t=2 ms 時刻，鋼質船艏外板與SPS 覆層船艏外板的應力達到峰值，其中鋼質船艏的極限應力值為613 MPa，SPS 夾層板頂板與底板的極限應力值分別為610 和587 MPa。SPS 夾層板頂板的極限應力值與鋼質船艏外板的極限應力值幾乎相同，而SPS 夾層板底板的極限應力值與鋼質船艏外板的應力值相比則略有下降，降幅為4.2%。SPS 夾層板具有緩沖砰擊載荷的作用，能夠降低與船艏內部結構連接的底板的極限應力值。

圖7 所示為鋼質船艏與SPS 覆層船艏外板的極限塑性應變時歷對比曲線。由圖可知：SPS 覆層船艏與鋼質船艏的最大塑性應變相近。在t=12 ms 時刻，鋼質船艏外板與SPS 覆層船艏頂板和底板的等效塑性應變達到峰值，其中鋼質船艏外板的最大塑性應變為0.013 8，SPS 夾層板頂板與底板的最大塑性應變分別為0.012 6 與0.009 9，均未達到DH36 鋼材的最大失效應變0.1。與鋼質船艏外板相比，SPS 夾層板頂板與底板的最大塑性應變降幅分別為8.7%和28.3%，這表明在外飄砰擊工況下，采用SPS 夾層板實現船艏外板的替換能充分發揮SPS 夾層板的減振吸能效果，降低夾層板底板的最大塑性應變，提高船艏的極限砰擊載荷承載能力。

圖7 船艏外板極限應變時歷曲線Fig.7 Ultimate strain time histories of bow plate

2.2.2 SPS 覆層船艏板架應力、應變

圖8 所示為船艏內部組件2 的測點示意圖，圖中所示測點與外板砰擊中心單元位置相近。

圖8 船艏板架測點示意圖Fig.8 Schematic diagram of frame measuring points at bow

圖9 所示為SPS 覆層船艏和鋼質船艏內部組件2 中測點A 與測點B 處的應力時歷對比曲線。

由圖9（a）可知：在t=1 ms 時刻，SPS 覆層船艏與鋼質船艏測點A 處的應力峰值分別為205 和238 MPa。采用SPS 覆層結構加強船艏外板，船艏內部板架測點A 處的應力峰值降幅為13.9%，這表明采用SPS 夾層板替換船艏外板后能夠緩沖砰擊載荷，降低內部結構的應力峰值，SPS 覆層船艏與鋼質船艏相比在靠近砰擊中心區域的內部測點處結構更為安全，極限砰擊承載能力更強。

依據規范［13］對船艏內部測點A 進行強度校核，測點A 處的許用應力校核公式為σe=195/K，計算出測點A 處的許用應力為267 MPa。SPS 覆層船艏與鋼質船艏內部測點A 處的應力峰值均在許用范圍內，未發生塑性變形。

由圖9（b）可知：在測點B 處，SPS 覆層船艏的應力峰值為457 MPa，鋼質船艏的應力峰值為466 MPa。測點B 位于舷側肋骨處，直接與船艏外板連接，承受船艏外板傳遞的砰擊載荷作用。由于砰擊載荷作用于船艏外板的時間較短，不能充分發揮SPS 外板減振吸能的特性，因此在測點B處，SPS 覆層船艏的應力峰值與鋼質船艏外板比較接近。

與鋼質船艏相比，SPS 覆層船艏在測點A 與測點B 處應力達到峰值后，應力的下降速度會更快，降幅更為明顯。這表明在極端砰擊工況下，SPS覆層船艏內部結構的安全性要高于鋼質船艏。由于船艏外板的緩沖砰擊載荷作用，砰擊載荷對內部組件的影響較小，所以2 種船艏模型在船艏內部組件測點B 處的塑性應變均遠小于0.1。

在外飄砰擊工況下，船艏內部組件4 的極限應力值出現在組件4 中橫梁與中縱剖面交點處。圖10 所示為SPS 覆層船艏與鋼質船艏內部組件4的極限砰擊應力時歷對比曲線。

由圖10 可知：2 種船艏模型的極限應力變化趨勢一致；由于組件4 離船艏外飄砰擊中心區域較遠，因此其應力峰值未在砰擊載荷作用于船艏的瞬間出現。在t=28 ms 時刻，鋼質船艏模型在該測點處的應力峰值為578 MPa；在t=29 ms 時刻，SPS 覆層船艏模型在該測點處達到應力峰值，其值為510 MPa。與鋼質船艏相比，SPS 覆層船艏在該點處應力峰值的降幅為11.8%。SPS 覆層局部加強船艏的內部組件4 在極限砰擊載荷作用下，其應力峰值明顯小于鋼質船艏，這說明SPS 覆層船艏的外板組件在提升船艏總體吸能效果的同時，還能降低內部結構的應力幅值，進一步提升內部結構安全性。

圖10 船艏內部組件4 極限砰擊應力時歷曲線Fig.10 Ultimate slamming stress time histories of bow internal component-4

圖11 所示為SPS 覆層船艏與鋼質船艏內部組件4 的極限砰擊應變時歷曲線。由圖中可知，在t=0～40 ms 時刻，鋼質船艏與SPS 覆層船艏的極限塑性應變分別為0.001 7 與0.002 2，SPS 覆層船艏內部組件4 中的塑性應變峰值與鋼質船艏相比有所上升，增幅為22.7%。可見，2 種船艏模型的極限等效應變均較小，遠未達到DH36 鋼材的最大塑性失效應變。

圖11 船艏內部組件4 極限砰擊應變時歷曲線Fig.11 Ultimate slamming strain time histories of bow internal component-4

上述結果表明，采用SPS 夾層板替換鋼質船艏外板能夠有效降低船艏外板的最大塑性應變。與傳統鋼質船艏比，SPS 覆層船艏內部結構的極限應力值更小，2 種船艏模型內部組件的最大變形相近且遠小于鋼材最大塑性應變失效值。

3 結 論

本文通過對比傳統鋼質船艏，分析了SPS 覆層船艏局部加強結構的抗砰擊性能，研究了SPS覆層船艏的吸能特性，主要研究結論如下：

1）在外飄砰擊工況下，采用SPS 夾層板等質量替換傳統鋼質船艏外板能使船艏總體比吸能提升18.2%，提高了船艏主承載組件的吸能效果，減弱了砰擊載荷對船艏內部結構的沖擊作用。

2）船艏結構在承受外飄砰擊載荷作用時，船艏外板最先出現瞬時高應力。SPS 覆層船艏與鋼質船艏外板的極限應力值相近，而SPS 夾層板的頂板與底板的極限塑性應變下降明顯，這表明采用SPS 覆層局部加強結構能夠提升船艏結構的安全性。

3）SPS 覆層局部加強船艏的內部結構在外飄砰擊工況下的極限應力峰值與傳統鋼質船艏相比有小幅的降低，而極限塑性應變則略有增大，但2 種船艏模型內部結構的最大變形均較小。可見SPS 覆層局部加強船艏的整體抗砰擊性能要優于傳統鋼質船艏。