魚鱗狀結(jié)構(gòu)在船舶抗冰撞能力上的應(yīng)用

吳晨飛，桂洪斌

(哈爾濱工業(yè)大學（威海）船舶與海洋工程學院，山東 威海 264209)

0 引 言

近些年，隨著全球氣候變暖，北極的冰蓋正在逐年減小，可供船舶航行的北極航道也隨之出現(xiàn)。但是，北極附近的海域仍然會有著大量的浮冰，在這種區(qū)域航行的船舶不可避免地與冰發(fā)生碰撞，因此提升船舶結(jié)構(gòu)的耐撞性尤為重要。

國內(nèi)外學者進行了很多加強結(jié)構(gòu)耐撞性的研究。王海亮等[1]建立了薄壁構(gòu)件，該構(gòu)件具有良好的結(jié)構(gòu)耐撞性，通過試驗建立響應(yīng)面模型，并用Pareto 遺傳算法進行耐撞性優(yōu)化設(shè)計。蘇巍等[2]研究船冰載荷下橫骨架式和縱骨架式2 種船體結(jié)構(gòu)耐撞性能，探究2 種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，在船舶總質(zhì)量改變不大的前提下，通過合理布置橫骨材、縱骨材的數(shù)量及尺度，采用混合骨架提高舷側(cè)耐撞性。姜金輝等[3]基于IFP 構(gòu)建了單殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)，并通過仿真分析證明IFP 可以顯著提高船舶的側(cè)向抗撞能力。Alan Brown 等[4]運用一個簡化的碰撞模型，優(yōu)化設(shè)計油輪結(jié)構(gòu)，使其具有更好的耐撞性能。

對于這些常年需要在冰區(qū)航行的船舶，必須加強其抗冰撞擊能力保證安全。本文沒有通過優(yōu)化設(shè)計船舶的結(jié)構(gòu)提高船舶的耐撞性能，而是提出一個大膽的構(gòu)想：在船舶可能與冰發(fā)生碰撞的部位的外側(cè)，附加上一層仿魚鱗的防撞結(jié)構(gòu)，從而提高船舶抗冰撞擊能力。

1 魚鱗防撞結(jié)構(gòu)在船舶應(yīng)用的構(gòu)想

1.1 構(gòu)想來源

首先，生活中汽車一般都裝有保險杠，在與其他車輛發(fā)生碰撞或者撞到其他障礙時，可以吸收和緩和外界的沖擊力、防護車身、保護車上人員的安全，那么船舶也可以擁有它自身的保險杠來緩和冰的碰撞。

其次，古代文明就廣泛出現(xiàn)鱗甲這種鎧甲了，這是由于古人通過觀察魚類等帶有鱗片的動物從而獲得靈感。古人受當時科技的影響，顯然鱗甲所用的材料相當簡單，一般為單一的金屬，但是，鱗甲在當時也已經(jīng)可以很好抵御冷兵器帶來的沖擊，意味魚鱗這種結(jié)構(gòu)有相當好的抵御沖擊的能力。

綜合上述兩點，本文從中得到靈感，在船舶滿載水線的位置，附加上一層魚鱗結(jié)構(gòu)，充當保險杠的作用，來抵御和緩和冰的碰撞帶來的沖擊。

1.2 鱗片結(jié)構(gòu)的特點

1）單片魚鱗抗沖擊能力

為了研究鱗片具有抗沖擊能力，Meyers M.A 等[5]運用食人魚的牙齒對巨骨舌魚的鱗片進行戳穿試驗。試驗中，食人魚牙齒發(fā)生斷裂，而對巨骨舌魚的鱗片并沒有被戳穿，這意味著鱗片可以抵抗牙齒的咬合作用，有較好的抗沖擊能力。段婷婷等[6]對魚鱗進行了大量光學分析以及熱分析，結(jié)果表明魚鱗是由有機膠原蛋白和無機羥基磷灰石組成的層狀復合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使魚鱗有極好的韌性，有較好的防護作用。

以上研究都表明了魚鱗本身就具有較好的韌性和抵抗沖擊的能力，如果運用一種性能較好的復合材料來制作鱗片，那么鱗片本身就會具有較好的抵抗沖擊的能力，并將其附在船舶滿載水線附近，加強船舶抵御冰塊沖擊的能力。

2）魚鱗結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力

目前，美國尖峰裝甲公司推出一款防彈衣——龍鱗甲[7]，由小塊的陶瓷防彈瓦和新型的防彈纖維編制成魚鱗形狀的防護甲，其防護機理為：一方面，高性能的陶瓷防彈瓦硬度極大，可以吸收大部分子彈的沖擊；另一方面，由于鱗片的相互疊加，是局部集中的能量分散開來，從而減少子彈帶來的沖擊。

劉鵬[8]在研究魚鱗仿生防護裝具時，將仿生鱗片的幾何形狀確定為圓形，并規(guī)定每個鱗片傾斜角度一致（覆蓋模型和傾斜度見圖1），并建立如圖2 的有限元模型，研究該防護裝具在子彈沖擊下的性能，得到如下結(jié)論：鱗片本身的材料吸收了大量子彈帶來的沖擊；由于鱗片的堆疊結(jié)構(gòu)，當其中一個鱗片承受沖擊時，它會將殘余的能量傳遞到其相鄰的鱗片，從而緩和沖擊；鱗片本身是傾斜的，會使正面沖擊的速度分解，從而削弱一定的沖擊能量。

圖1 鱗片傾斜和覆蓋示意圖[8]Fig.1 Sketch of scale inclination and covering

圖2 有限元模型[8]Fig.2 Finite element model

無論是美國生產(chǎn)的防彈衣，還是劉鵬[8]設(shè)計的魚鱗仿生防護裝具，從它們的防護機理都可以看出：較好的材料做成的鱗片本身就有非常好的抗沖擊能力；鱗片這種堆疊的結(jié)構(gòu)，可以起到將局部集中的能量分散開來，同樣可以減少外來的沖擊；傾斜的鱗片可以分解正面受到的沖擊。因此，在船舶滿載水線的附近裝上魚鱗的防撞結(jié)構(gòu)，那么由于魚鱗結(jié)構(gòu)具有較好的抵抗沖擊的能力，船舶也將具有較好的抵抗冰撞擊的能力。

3）阻力性能

船舶本身就具有不錯的阻力性能，如果在船舶滿載水線的附近裝上魚鱗的防撞結(jié)構(gòu)，很可能影響船舶的阻力性能，使船舶在航行時具有較大的阻力。

美國學者Sumers A.P.[9]在研究魚鱗的減阻效應(yīng)時，推測魚皮表面在運動時，由于魚鱗的作用形成了微小紊流，從而魚快速游動只需克服較小的阻力。錢風超[10]依據(jù)仿生學原理，結(jié)合對鯉魚鱗片生理結(jié)構(gòu)和表面特性的研究，設(shè)計了魚鱗凹坑表面，該表面雖然產(chǎn)生了額外的壓差阻力，但同時也大幅度降低了摩擦阻力，達到了減阻的效果。

由此可見，魚鱗本身的減阻效果非常的好，依據(jù)仿生學原理結(jié)合魚鱗的特性，合理的設(shè)計鱗片結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于本文提出的船舶鱗片防撞結(jié)構(gòu)中，那么整個鱗片防撞結(jié)構(gòu)就會具有較好的阻力性能。或者，目前由于這種防撞結(jié)構(gòu)是本文的構(gòu)想，因此將其安裝在船舶上后，整體船舶的阻力性能不得而知。

1.3 需要解決的問題

這種仿魚鱗的防撞結(jié)構(gòu)是本文根據(jù)魚鱗所具備的一些性能所提出的一種構(gòu)想，還沒有實際的結(jié)構(gòu)模型，因此必須先將這種魚鱗防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計出來，而設(shè)計這種結(jié)構(gòu)需要考慮很多因素：

1）材料選擇。首先，魚鱗防撞結(jié)構(gòu)質(zhì)量不能太大，不然會影響船舶的很多性能，這就需要選擇密度較小的材料。其次，在發(fā)生與冰的碰撞時，材料本身就已經(jīng)可以吸收掉一部分沖擊的能量，因此，選擇的材料越好，那么材料本身就可以吸收越多的能量。

2）單個鱗片結(jié)構(gòu)。不同的鱗片結(jié)構(gòu)抵抗沖擊的能力也都不同，并且鱗片結(jié)構(gòu)的表面形狀也會影響到結(jié)構(gòu)的阻力性能，因此，需要研究不同魚鱗的結(jié)構(gòu)，依據(jù)仿生學原理，來進行單個鱗片的設(shè)計，使其具有更好的性能。

3）鱗片的傾斜度和堆疊方式。鱗片的傾斜度可以很好的緩和正面的沖擊，從而削弱整體沖擊的能量。顯然，鱗片堆疊的越密，那么所需的鱗片就越多，這就會使整個結(jié)構(gòu)的質(zhì)量越大。并且，不同的堆疊方式，分散沖擊的能力就不同，因此需要通過研究，選擇一個合適的堆疊方式。

影響這種仿魚鱗防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計的因素還有很多，以上只是列出了本文認為比較重要的3 種因素。

2 魚鱗防撞結(jié)構(gòu)的初步仿真計算

本文根據(jù)魚鱗的堆疊結(jié)構(gòu)，運用有限元軟件Abaqus 建立了一個較為簡單的魚鱗防撞結(jié)構(gòu)（圖3 為魚鱗結(jié)構(gòu)圖，圖4 為魚鱗防撞結(jié)構(gòu)的有限元模型），來探究該結(jié)構(gòu)的一些性能。

圖3 魚鱗結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Scale structure chart

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

運用有限元分析軟件Abaqus，模擬該魚鱗防撞結(jié)構(gòu)與冰塊的碰撞，同時模擬沒有魚鱗結(jié)構(gòu)的板與冰塊的碰撞（圖5 為兩者碰撞示意圖），并將2 次模擬所得到的結(jié)論進行比對，在模擬碰撞的時候，假定冰塊的速度為10 m/s，并且是垂直撞向目標。這里所用到的鋼材料參數(shù)如表1 所示，冰材料參數(shù)如表2 所示。

圖5 碰撞示意圖Fig.5 Collision schematic

表1 鋼的材料模型參數(shù)Tab.1 Material model parameters of steel

表2 冰的材料模型參數(shù)Tab.2 Material model parameters of ice

2.1 最大應(yīng)力對比

結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力時程曲線如圖6 所示。可見，沒有魚鱗結(jié)構(gòu)的板，在收到冰塊碰撞的時候，應(yīng)力變化的較快，呈現(xiàn)急劇的增長或者減小，而擁有魚鱗結(jié)構(gòu)保護的板，其應(yīng)力變化較慢。并且，在碰撞的同一時刻，擁有魚鱗結(jié)構(gòu)的板所受的應(yīng)力始終小于無魚鱗結(jié)構(gòu)的板，這也意味著，魚鱗這種結(jié)構(gòu)，可以很好抵御冰塊的沖擊，使得它保護的結(jié)構(gòu)板所受到應(yīng)力較小。

圖6 最大應(yīng)力時程曲線圖Fig.6 Maximum stress time history curve

2.2 動能的對比

圖7 為結(jié)構(gòu)動能時程曲線圖。由圖可見，在相同的碰撞時刻下，無魚鱗結(jié)構(gòu)板的動能始終都要比魚鱗結(jié)構(gòu)板的動能大。魚鱗結(jié)構(gòu)能夠很好吸收和化解冰塊碰撞帶來的能量，起到保護的作用。

圖7 動能時程曲線圖Fig.7 Kinetic energy time history curve

2.3 應(yīng)力云圖的對比

圖8 和圖9 分別是碰撞時間為5 ms，10 ms 的應(yīng)力云圖的對比圖。可見，在發(fā)生碰撞的時候，沒有魚鱗結(jié)構(gòu)的板主要應(yīng)力都集中在發(fā)生碰撞的位置，更容易發(fā)生破壞，而擁有魚鱗結(jié)構(gòu)保護的板，在發(fā)生碰撞的時候，由于采用了魚鱗的堆疊結(jié)構(gòu)，就能夠?qū)⑴鲎伯a(chǎn)生的沖擊和力分散到周圍的鱗片結(jié)構(gòu)上面，這樣就能避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)就不容易受到破壞。由于本文所建立的模型中，魚鱗結(jié)構(gòu)并沒有完全覆蓋整個板，所以通過應(yīng)力云圖可以看到，魚鱗結(jié)構(gòu)將碰撞帶來的沖擊向周圍分散，如圖9（b）和圖8（c）所示，最終主要的應(yīng)力就分散到了魚鱗結(jié)構(gòu)的邊緣。

3 結(jié) 語

本文根據(jù)魚鱗結(jié)構(gòu)良好的性能，提出一種可以安裝在船舶滿載水線附近仿魚鱗的防撞結(jié)構(gòu)，并通過有限元分析軟件對一個簡單的魚鱗結(jié)構(gòu)模型進行與冰塊碰撞的模擬分析，得到魚鱗結(jié)構(gòu)的優(yōu)點如下：魚鱗結(jié)構(gòu)可以很好地緩和受到的沖擊力；魚鱗結(jié)構(gòu)可以很好地吸收碰撞沖擊所帶來的能量；魚鱗結(jié)構(gòu)能夠分散碰撞產(chǎn)生的沖擊力，避免應(yīng)力集中。綜上所述，魚鱗防撞結(jié)構(gòu)在受到冰塊的碰撞沖擊時，可以很好地分散并減小收到的沖擊，起到保護船舶的作用。

圖9 碰撞時間為10 ms 的應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud with a collision time of 10 ms