船舶碰撞仿真失效准则比较

失效准则作为判定结构失效的依据,对船舶碰撞仿真分析的准确性有着重要影响。基于3种典型舷侧结构缩尺模型的准静态耐撞性试验,采用等效塑性应变准则、主应变—厚度应变准则以及RTCL(Rice-TraceyCockcroft-Latham)准则对模型试验进行数值模拟,比较各准则对裂纹产生的模拟效果,讨论3种准则计算的极限撞深和吸能值与试验的误差。研究结果表明,3种准则均能取得满足工程需要的仿真精度,但相对于等效塑性应变准则和主应变—厚度应变准则,引入应力三轴度的RTCL准则能更准确地模拟不同结构的裂纹产生过程。     

层间水对水下双层结构撞击历程的影响分析

双层壳体结构是潜艇等大型水下结构的重要结构形式,潜艇结构的水下碰撞是潜艇的主要事故形式,然而,针对双层壳体的潜艇结构水下碰撞问题的研究工作目前却极为有限.文中首先提出潜艇碰撞问题,并对其碰撞特征进行分析,然后针对潜艇水下碰撞环境下,层间水对碰撞历程的影响和双层结构的碰撞特点进行了理论分析,在数值仿真计算的基础上,着重讨论了双层板结构在碰撞过程中,层间水对撞击速度、碰撞力以及双层板吸能特性的影响,分析结果显示,层间水对双层壳板撞击历程的影响主要体现在两方面:一是接触初始阶段,耐压壳板将由于层间水的存在,与非耐压壳板组成抗冲击弹簧体系参与抗冲击作用,吸收冲击能量,这对于双层壳板的防撞性能是有利的;二是非耐压壳板穿透后,层间水的影响主要体现为水对耐压壳板的粘附作用,耐压壳板的抗撞能力显著下降.     

水下碰撞对耐压壳体极限承载能力的影响

极限承载能力是考察深海装备耐压壳体结构稳定性的重要标志。具有自航能力的深海装备在水下作业时,存在着水下碰撞的可能性。这种在高应力状态下的冲击作用会对耐压壳体的极限承载能力产生很大的影响。本文基于有限元软件建立2种常见耐压壳体水下碰撞的仿真模型,计算碰撞前后耐压壳体的失稳临界载荷,重点讨论了碰撞速度对结构塑性变形和剩余强度因子的影响,所得结果可以为水下碰撞失效模式判断和深海装备自航安全性保证提供借鉴。     

船舶碰撞仿真分析中的单元尺寸与失效应变关系研究

随着船舶向大型化发展势头迅猛,船舶碰撞所带来的灾难性后果也显著增大。为评估船舶结构的耐撞能力,国内外研究人员分别从试验和数值模拟2个方面开展研究工作。针对船舶碰撞场景的仿真模拟中,经常采用常应变失效准则来定义单元是否失效。然而失效应变取值强烈依赖于单元尺寸大小,因此,开展失效应变与单元网格尺寸关系研究对船舶结构的耐撞性能准确评估意义重大。本文通过对光板及加筋板的耐撞性能的试验研究,并应用非线性有限元软件LS-DYNA对试验结果进行仿真模拟,探讨了光板及加筋板的单元尺寸和失效应变之间的关系。结果表明:光板和加筋板的单元尺寸与失效应变关系曲线明显不同,因此采用常应变失效准则时应区别对待,不能混用。研究结论对船舶结构碰撞有限元仿真具有一定的指导意义。     

船舶碰撞仿真分析中的单元尺寸与失效应变关系研究

随着船舶向大型化发展势头迅猛,船舶碰撞所带来的灾难性后果也显著增大.为评估船舶结构的耐撞能力,国内外研究人员分别从试验和数值模拟2个方面开展研究工作.针对船舶碰撞场景的仿真模拟中,经常采用常应变失效准则来定义单元是否失效.然而失效应变取值强烈依赖于单元尺寸大小,因此,开展失效应变与单元网格尺寸关系研究对船舶结构的耐撞性能准确评估意义重大.本文通过对光板及加筋板的耐撞性能的试验研究,并应用非线性有限元软件LS-DYNA对试验结果进行仿真模拟,探讨了光板及加筋板的单元尺寸和失效应变之间的关系.结果表明:光板和加筋板的单元尺寸与失效应变关系曲线明显不同,因此采用常应变失效准则时应区别对待,不能混用.研究结论对船舶结构碰撞有限元仿真具有一定的指导意义.     

尖头弹侵彻金属板花瓣型破口成形过程仿真分析

[目的]尖头弹侵彻金属板形成花瓣型破口是一种常见的毁伤模式,为分析花瓣型破口的成形过程,[方法]将采用数值仿真手段进行分析。首先,依据前期开展的尖头弹打靶实验及靶板材料力学性能实验,建立弹靶仿真计算模型并确定输入材料参数;然后,利用仿真手段对尖头弹穿甲靶板形成花瓣型破口的过程进行分析,重点探讨花瓣型裂缝路径单元的受力状态;最后,对比分析不同失效准则对破口成型过程的影响。[结果]结果表明:花瓣形成过程十分复杂,主要可分为碟形—隆起变形阶段、尖头弹体扩孔阶段、花瓣型裂缝形成与扩张阶段以及花瓣破口区域整体运动4个阶段;在花瓣型破口成形过程中,裂缝路径处单元应力状态变化复杂,采用常应变失效准则难以预测靶板的花瓣型破口形状,需采用考虑应力三轴度损伤的JC失效模型。[结论]所得成果可为后续花瓣开裂理论评估改进提供一定的分析依据。     

双壳船体结构在楔形物撞击下的损伤特性试验及数值仿真分析

[目的]船舶碰撞的后果往往是灾难性的,尤其是由双壳油轮碰撞或搁浅事故所造成的海洋生态灾难,多年都难以恢复。为评估双壳结构的耐撞性能,开展双壳船体结构在楔形物撞击下的损伤特性试验与仿真研究。[方法]首先,针对双壳体结构模型开展准静态碰撞实验;然后,利用有限元软件LS-DYNA对双壳体结构试验模型进行数值仿真。[结果]结果显示:试验和数值仿真结果在撞击载荷响应与变形破坏模式上吻合较好;双壳体结构内、外壳板的变形及破坏模式区别较大;内、外壳板之间的横隔板产生的塑性变形会延迟外壳板的断裂。[结论]所做研究可用于船体舷侧结构或船底结构在遭受碰撞或搁浅时的损伤性能评估。     

海洋工程结构物碰撞失效准则探讨

以工程上常见的梁受压力弯曲破坏实验为例,分别选用V-M等效应变、厚度应变和主应变三种失效准则进行有限元模拟仿真,从理论公式和现实工程结论两个方面证明工程上普遍采用的V-M等效应变失效准则的局限性,并验证厚度应变和主应变失效准则的可行性,从而提出综合应变失效准则的概念,为工程上求解船舶和海洋工程结构碰撞问题时选取失效准则提供参考依据。     

夹层板改善单舷侧散货船耐撞性能的数值模拟分析

船舶碰撞事故中船艏对船中垂直碰撞是最为危险的情形,为提高船舶的防撞性,在单层壳舷侧填充夹层(蜂窝式夹层板、圆管式夹层板、折叠式夹层板等)以提高舷侧结构的能量吸收能力。利用有限元仿真软件MSC/Dytran对改进的夹层板舷侧结构及常规舷侧结构在横向冲击载荷作用下的变形损伤、能量吸收及极限撞击速度进行对比分析。数值仿真结果表明,改进的夹层板结构显著提高了舷侧结构的耐撞能力,是一种先进的船舶防护结构形式,且圆管式夹层板结构最理想,上蒙皮为其主要吸能构件。     

弯曲载荷下骨材贯穿孔孔边应力分布模型试验

考虑到疲劳裂纹主要发生在船舶结构高应力区域,骨材开孔会造成孔边应力集中从而造成疲劳破坏,影响船体结构的安全性,以船舶双层底结构为研究对象,开展模型试验对船舶双层底结构在典型弯曲载荷情况下的骨材开孔孔边应力分布情况进行研究,分析弯曲载荷下不同开孔形状以及不同补强结构对孔边应力分布的影响。试验结果与有限元仿真结果对比表明,二者具有相同的规律和趋势,证明用数值仿真的方法分析骨材开槽孔孔边应力集中问题是可行的。     

半穿甲型舰炮弹药打击舰船舷侧毁伤效果数值仿真

半穿甲型舰炮弹药在命中舰船舷侧后发生爆炸，在爆炸过程中弹丸的侵彻动能和装药产生的爆炸冲击波会对舰船舷侧结构造成毁伤。分析舰船舷侧的结构特性和弹目交会情况，采用数值仿真方法构建仿真模型，分析半穿甲型舰炮弹药在靶前炸、靶中炸、穿靶炸等工况条件下对舰船舷侧的毁伤效果。结合实尺寸舱室模型试验结果对毁伤效果进行验证，预测在实际作战时弹药起爆点位置、末端着速对舰船舷侧毁伤结果的影响。     

A numerical study of whole ship structural damage resulting from close-in underwater explosion shock

There are quite a few researches on far-field underwater explosion and contact underwater explosion. However, few studied the close-in non-contact underwater explosion. In this paper the numerical simulations on the deformation and rupture of a rectangular plate and a stiffened plate are conducted, respectively. The simulation results are close to the failure modes shown in the tests. The limit of acoustic–structure coupling method is also pointed out. Then a full-scale surface ship subjected to underwater shock is presented using the same method. The damage evolution process is studied and three damage modes of the whole ship are specified according to the standoff distance. All of these results can be reference to the research of close-in non-contact underwater explosion.     

船舶舷侧结构耐撞性分析

为研究船舶舷侧结构的碰撞损伤过程,采用非线性动态响应分析方法,使用ANASYS/LS-DYNA显式动力分析软件,对船艏和船舷垂直碰撞过程进行数值仿真,获得了碰撞力、能量吸收和结构损伤变形的时序结果。为了分析船舶舷侧结构耐撞性能,本文对比了常见油船、新型Y型和X型舷侧结构的仿真过程,结果表明新型舷侧结构在整体的耐撞性能上优于传统的舷侧结构,承载构件的不同也会对结构的耐撞性产生很大的差异。     

复合材料层合板螺栓连接接头极限强度分析

对基于不同渐进失效准则计算复合材料层合板螺栓连接接头极限承载力的高精度预报方法展开研究。基于Abaqus有限元软件,采用USDFLD子程序对接头进行渐进失效分析。分别采用最大应力准则、蔡-希尔失效判据、霍夫曼失效准则、蔡-吴失效准则、哈辛失效准则等5种失效准则进行数值计算。建立不同的场变量描述纤维、基体、界面的损伤状态,研究复合材料层合板螺栓连接接头在拉伸载荷作用下的损伤发展过程。研究表明,基于这5种失效准则计算的有限元仿真结果均与试验值较为接近,其中采用纤维失效和基体失效分开考虑的哈辛失效准则计算的复合材料层合板螺栓连接接头的极限强度与试验结果的准确度吻合最好,较适用于复合材料螺栓连接结构的有限元仿真。     

冲击毁伤载荷作用下新型舰船舱壁结构型式研究

本文对高速破片与冲击波载荷联合作用下典型舰船舱壁结构的动态响应过程进行数值模拟研究.基于结构吸能和破片平均剩余速度的评判标准,对比分析3种新型夹芯板双层舱壁(I型、X型、V型)抗冲击毁伤特性.研究结果表明,在相同高速破片与冲击波载荷联合作用下,破片穿透V型夹芯板双层舱壁结构的平均剩余速度最小,并且V型夹芯板结构吸能最多;3种新型夹芯板舱壁结构抗冲击性能均强于典型单层舱壁结构.     

高能搁浅下双层底结构的损伤特性研究

船舶搁浅事故会引起船体破损、环境污染和人员伤亡等严重后果.研究船舶搁浅,不仅有利于海上生命安全、防止海洋污染,还可为船体结构的抗冲击设计及规范航运繁忙区域中船舶的航速、操作规程提供一定的依据.本文用数值仿真法研究了船舶高能搁浅中的内部力学问题,分析了典型双层底结构的损伤变形、受力和能量耗散等结果,提出了一种新式的抗搁浅YF双层底结构,并与原结构进行了比较.研究表明,损伤变形集中于结构与礁石相接触的区域,高能搁浅内部力学问题的研究可以主要考虑局部的船体结构;肋板的存在显著增加了船底结构的抗搁浅能力;高能搁浅过程中,由于垂直方向的接触力,礁石对双层底的垂向贯入量会略有减小;当纵桁远离搁浅区域时,它的吸能能力无法发挥,抗搁浅作用很弱;YF双层底结构比原结构具有更大的吸能能力和抗搁浅力.     

基于ANSYS的高精度管路系统抗冲击仿真方法及试验验证

针对船舶管路系统抗冲击性能仿真方法精度不足的问题,研究用于舰船管路系统的高精度抗冲击仿真方法。采用ANSYS有限元实体建模技术、冲击时域分析法对空间管路系统抗冲击性能进行研究,搭建管路系统抗冲击试验平台,对不同冲击载荷下管路系统的抗冲击性能进行试验验证,最后以舰艇典型管路系统为算例,研究三向冲击载荷作用下舰船管路的抗冲击性能。研究给出了基于接触单元、弹性约束、实体附件单元等高精确的管路建模技术,提出了船舶管路抗冲击时域仿真流程。研究表明,采用时域分析法和实体建模技术满足抗冲击仿真高精度的要求,舰船空间管路系统的横向抗冲击性能较差,法兰、直角弯管处、连接支管处等部位为管路系统薄弱结构。根据仿真结果,文章还提出了一系列用于工程实践的管路优化布置方法。     

半潜式海洋平台与供应船尾部发生正碰分析

随着世界上海洋平台的增多,船舶与海洋平台的碰撞事故也随之变多,碰撞事故往往产生巨大损失.为了研究其碰撞规律,本文基于有限元软件Ansys/Ls-Dyna,研究分析不同速度下供应船尾部与半潜式海洋平台的碰撞,碰撞中的流体采用附加质量法处理.为确保计算结果精度,对碰撞的局部区域进行网格细化.计算结果表明,正碰时平台内部结构单元首先发生破坏(内部结构指水平强框处单元),外板失效所需能量比内部结构大;当撞击速度小于破坏速度时,单元没有破坏,但当船回弹时,外板上的板单元产生振动,应力和能量产生短时间波动.     

Dynamic responses analysis of a 5 MW spar-type floating wind turbine under accidental ship-impact scenario

Ship impact against offshore floating wind turbine (OFWT) has been identified as one of the major hazards with the development of OFWTs. The dynamic responses of OFWTs under ship impact should be taken into consideration during the design phase. This paper addresses a study on the dynamic responses of an OFWT in ship collision scenarios. Firstly, a mathematical model for external mechanism of ship-OFWT collision scenario is developed. Secondly, this model is combined with an in-house programme, DARwind, which can be used to predict nonlinear dynamic responses of whole OFWT system in time-domain. With the newly combined analysis tool, simulation cases for different scenarios are conducted to investigate the nonlinear dynamic responses of OFWT system, including the cases of still water condition, wave-only condition and wind-wave condition. It is shown that in still water condition, the ship impact will more obviously change the responses of motions and mooring system, compared with those in wave and wave-wind conditions. In the wave-only condition, these motions responses of platform are suppressed by wave effect, but the tower vibration and tower top deformation are sensitive to ship collision. For the wave-wind combined condition, the motions increment in surge and pitch due to ship collision becomes smaller than that of wave-only condition, but yaw motion has a considerable variation compared with those of the other two conditions. Additionally, the blade tip deformation increment due to ship collision are analyzed and it is found that the edgewise tip deformation got more obvious increment than that of flapwise. To further asses the safety of OFWT, the acceleration at nacelle are analyzed because some equipment might be sensitive to acceleration. The analysis results indicate that even though the OFWT structure doesn't get critical damage by ship impact, the equipment inside may still fail to work due to the high value of acceleration induced by ship impact. The research outcomes can benefit the safety design of OFWT in the engineering practice.     

Simplified buckling-and-contact-based expansion method for assessment of crashworthiness of double-hulled ship structure

Ship-to-ship collision events can have severe consequences such as loss of life and environmental degradation. For this reason, modern ship designs are required to incorporate a double-hulled structure to prevent inner-hull damage from such events. Using the experimental or numerical method to analyze the crashworthiness of double-hulled ship structures entails much effort, for which reason neither method is easy to adopt at the early design stage. In this paper, an existing simplified method called Ito's method is improved by a new buckling-and-contact-based expansion method. This method can be applied to double-hulled-structure or outer-hull-local-rupture failure mode. The perpendicular bow-to-side collision scenario is assumed for a conservative estimation of damage to a double-hulled structure. The method was verified in the present study by numerical ship collision simulations of several cases. The results for the buckling-and-contact-based expansion method and numerical simulation were similar for a blunt shape of striking body but different for a sharp shape.