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.     

加筋板穿透数值仿真中网格尺寸对失效应变的影响分析研究

运用数值仿真分析碰撞过程时,基于最大等效塑性应变失效准则确定的材料失效应变取值与网格尺寸具有明显的依赖关系,因此,研究碰撞载荷下加筋板网格尺寸对失效应变取值的影响对于评估加筋板架的耐撞性及开展耐撞性结构设计具有重要意义。文中基于LS-DYNA非线性有限元分析软件对光板及加筋板穿透过程分别进行仿真分析,以国外学者相应准静态穿透试验的结果为参照,探讨了加筋板与光板的有限元网格尺寸和失效应变之间的关系,同时对是否有必要考虑骨材与板壳之间的焊缝进行了探究。研究表明:加筋板与光板的失效应变取值存在明显的差异,确定加筋板材料失效应变取值时,应优先参考适用于加筋板网格尺寸与失效应变取值的关系曲线;在决定是否考虑加筋板结构中的焊缝时需要结合网格尺寸与焊缝等效单元的相对大小进行判断。     

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。     

碰撞载荷作用下加筋板架动响应分析研究

研究碰撞载荷作用下加筋板架的动态响应对于深入理解船舶碰撞力学机理和开展船舶耐撞性结构设计具有重要的指导意义。基于最近国外加筋板架碰撞模型系列试验结果,应用数值仿真的方法对其中5种典型加筋板架进行计算分析,得到不同加强筋情形下板架的动态响应特征,并从损伤变形模态及变形大小、应变三个方面与模型试验结果进行对比分析,结果表明两者具有很好的一致性,同时证明了本文碰撞数值仿真方法的有效性。     

加筋板抗撞击性能的比较研究

研究加筋板的抗撞击性能对于深入理解船舶碰撞的力学机理和开展耐撞性船舶结构设计都具有重要的指导意义。本文用数值仿真法研究了普通的船舶加筋板结构的抗撞击性能，并与三种改进型加筋板作了比较。研究表明，三种改进型加筋板的抗撞击性能均比原结构有所提高，这可为新式船舶结构形式研究提供一定的依据。     

冲击载荷作用下Q345钢失效应变与单元尺寸关系研究

冲击载荷作用下结构的损伤破坏仿真计算中，材料的失效应变取值与单元尺寸具有很大的关系。为建立冲击载荷作用下结构失效应变与单元尺寸之间的关系，本文以开展的Q345B钢各类力学性能试件（压缩、扭转、拉伸等）获取的材料失效应变为依据，借助数值仿真手段，研究各类试件网格尺寸对失效应变影响关系，并进一步依托开展的弹体穿甲试验、简单方板冲击试验、近场爆炸下舰船毁伤破坏试验，建立三类典型冲击问题中单元失效应变取值与尺寸之间的对应关系。计算结果表明：网格尺寸对单元失效应变的影响主要在于单元尺寸可改变结构变形过程中局部塑性变形分布区域的分布度；不同冲击载荷作用下，由于所使用的单元类型及受力状态存在一定的差异，需针对各类冲击问题分别建立单元失效应变与网格尺寸之间的关系。研究成果可为后续数值仿真计算中单元失效应变的选取提供指导。     

基于夹层板的单壳船体结构耐撞性设计

减小船舶碰撞损伤提高船舶结构安全性是开展耐撞设计的主要目的。仅靠对传统结构进行优化来提高结构的耐撞性能是有限的,设计高效的吸能单元是提高结构耐撞性能的主要途径。夹层板（蜂窝式夹层板、折叠式夹层板）具有吸能好、比强度高等特性,是一种理想的能量吸收单元。基于夹层板设计出新式单壳舷侧耐撞结构形式,对其耐撞性能进行研究,并与不同耐撞结构形式进行比较。数值仿真结果证明,夹层板舷侧结构显著提高了舷侧结构的抗撞能力,是一种先进的耐撞结构形式。     

失效准则在船舶碰撞破坏中的应用研究

船舶结构冲击破坏一直都是学者们研究的重点,而碰撞破坏是船舶结构在生命周期内最有可能遭受的冲击破坏形式。因为船舶惯性质量大,在很低的速度下,碰撞也会造成船舶损毁的严重后果。作为判定结构是否失效的关键依据,失效准则对碰撞仿真分析结果的准确性有着至关重要的影响。本文针对典型的船体双层壳结构,结合试验数据,对比尖刀型撞头碰撞仿真下双层壳结构的塑性变形,对碰撞有限元模型及材料本构参数进行验证。在此基础之上重点研究GL、RTCL和JC工程上3种常用金属延性失效准则在碰撞破坏仿真分析中的应用。结果显示:板壳结构在碰撞载荷下,撞击中心的应力三轴度在0.3~0.6之间,考虑应力三轴度的RTCL和JC失效准则更能真实反应板的撞击破坏。而船舶碰撞多属于低速碰撞,应变率效应影响较小。     

小型快艇结构耐撞性研究

船舶碰撞是一种复杂非线性瞬态响应过程,在碰撞区内的构件一般迅速进入塑性流动状态,出现撕裂、屈曲等形式的破坏和失效,因此对小型快艇结构碰撞特性进行分析非常必要。分析了艇艏撞击作用下快艇舷侧加筋结构的渐进破坏过程,给出了撞深曲线。为表征小型快艇船体结构的耐撞性能,建立了基于综合考虑塑性应变衡准和撞深衡准的小型艇结构耐撞性评价模型。最后,运用有限元法进行数值分析,开展快艇改进舷侧的结构耐撞性优化研究。数值分析表明,对于中小型快艇,碰撞损伤主要是艇体的总体弯曲变形,损伤变形区域占全船的比例较大,采用塑性应变衡准和撞深衡准能有效地刻画中小型快艇结构耐撞性。     

楔形首撞击下船体双壳结构的耐撞性研究

船舶遭受其他船船舶撞击会引起严重的后果,典型撞击船船首形式有球鼻首和楔形首,而目前对楔形首撞击下船体结构的耐撞性研究涉及较少。此外,双壳船体结构形式可提升船舶的碰撞安全性。因此,本文开展楔形首撞击下船体双壳结构的耐撞性研究。设计了双壳结构模型试件和楔形首撞头,开展了准静态压载试验。同时开展数值模拟,准确模拟了双壳结构完整损伤过程的撞击力-撞深曲线和最终破坏形式。研究结果表明:楔形首撞击下双壳结构外壳板和内壳板的损伤模式有区别;与内壳板相比,外壳板因撕裂作用能吸收更多的能量;外壳板与隔板间的耦合作用较小。本文研究成果可为船体双壳结构的耐撞性设计和评估提供技术支持。