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。     

双壳船内壳和外壳结构耐撞性能的分析和比较

依据船舶加筋板结构缩尺模型的耐撞性试验数据,结合理论计算方法,详细讨论双壳船舷侧内壳和外壳结构的碰撞损伤特性,对其进行分析和比较。研究表明:双壳船舷侧内壳和外壳结构在耐碰撞能力方面的差异虽不是很大,但在渐进破坏过程及破坏模式方面却存在明显的区别。这些结论对于提升双壳船舷侧结构的耐撞性能具有一定的指导意义。     

双壳结构形式对舷侧结构耐撞性能的影响

船舶碰撞不仅会引起船体结构的损坏,而且会造成人员和财产的重大损失。对于内河油船或化学品船还可能会造成原油或化学品的泄漏,严重污染稀缺的水资源,威胁河流周围居民的正常生活。本文从提高内河双壳油船、化学品船耐撞性能的角度讨论了双壳结构形式对舷侧结构耐撞性能的影响。采用非线性有限元软件LS-DYNA,在满足双壳舷侧结构体积不变(重量不变)的情况下,分析并讨论了内外壳板厚度、结构布置形式(纵骨大小、纵骨数量)、双壳间距对受撞船舶舷侧结构能量吸收的影响。结果表明:适当增加外壳板厚度和减小纵骨截面的尺寸能提高船舶舷侧结构耐撞性能。同时针对传统双壳结构形式中内壳板所吸收能量占结构总吸能份额较低的特点,比较了内壳板采用波纹板结构(槽形舱壁结构)替代传统的加筋板结构对提高舷侧结构的抗撞能力的影响,收到较好的效果。通过对各种设计方案的计算对比,从中得出了一些具有工程应用价值的结论,为我国制定内河双壳油船碰撞评估指南提供理论依据。     

单壳船舷侧结构的碰撞分析

给出一种计算船体结构基本构件——梁、板耐撞性的简化分析方法,并将该方法应用于单壳船舷侧结构的碰撞分析。讨论了球鼻首撞击作用下单壳船舷侧结构的总体破坏模式及其渐进破坏过程,提出了计及渐进破坏过程的碰撞损伤简化计算方法。实例计算结果表明:该简化分析方法能对单壳船舷侧结构的耐撞性作出合理的预报,可应用于船舶设计阶段船体结构耐撞性能的评估。     

舷侧圆管式夹层板结构耐撞性能优化设计

圆管式夹层板是一种新型船舶防护结构形式,通过在单层壳舷侧填充圆管式夹层以提高船体的耐撞性能。由于舷侧夹层结构在增加船体耐撞性的同时增加了船体质量,因此需要对圆管式夹层板进行尺度优化,在确保舷侧耐撞性增强的同时,有效控制船体质量增量。以船首与船侧相撞为例,综合考虑撞深、能量吸收、极限撞击速度和质量,提出一种耐撞性优化指标。基于正交试验设计、BP(Back Propagation)神经网络和遗传算法,得出最优的夹层板尺度,并利用有限元仿真软件MSC/Dytran对船舶碰撞进行数值仿真,从而确定最优的耐撞性舷侧结构设计。结果表明,优化后的舷侧圆管式夹层板结构在提高耐撞性能的同时能较好控制船体质量增量。研究成果在夹层板舷侧结构耐撞性能优化方面具有重要的作用,也为其他新型舷侧结构耐撞性能优化设计提供了参考。     

船体壳板撞击破裂后撕裂特征试验和数值模拟研究

为了研究船体壳板撞击破裂后的撕裂特征,开展了变截面撞头准静态压载船体壳板的模型试验和数值模拟。试验记录了壳板变形、破裂和撕裂过程的损伤模式及其完整损伤过程的撞击力-撞深曲线。通过拉伸试验校核,提出了模拟壳板初始破裂和撕裂失效的数值模拟方法。试验和数值模拟结果的对比分析表明：所提数值模拟方法能准确模拟壳板的完整损伤过程;壳板撕裂失效是由裂纹尖端的拉伸作用引起的,且撕裂过程的撞击力与裂纹数目无关;壳板撕裂过程的弯曲和拉伸作用所吸收的能量较大。本文研究工作对船体结构的耐撞性准确评估具有一定指导作用。     

基于折叠式夹层板船体结构耐撞性设计

提高船体结构的耐撞性能是开展船舶碰撞与搁浅研究的主要目的,通过船体结构耐撞设计提高船舶的安全性,对常规船体结构进行优化来提高结构耐撞性能是有限的,设计新型高效的吸能单元是提高结构耐撞性能的有效途径m折叠式夹层板具有吸能好、比强高、刚度大等特性,是一种理想的能量吸收单元.引进特种吸能单元FSP设计出一种新式耐撞结构形式,分别应用于双壳、单壳舷侧结构,对其耐撞性能进行研究.通过数值仿真计算分析,证实FSP舷侧结构显著提高了单壳、双壳舷侧结构的抗撞能力,FSP结构是一种先进的耐撞结构形式.     

撞击参数对双层舷侧结构碰撞响应的影响

深入了解船体结构碰撞损伤特性和能量吸收机制是开展船舶耐撞性优化设计的前提。文章利用显式非线性有限元数值仿真技术对不同撞击条件下的双层舷侧结构碰撞响应进行了系列研究。研究结果表明：撞击位置、撞击角度和撞击速度的改变可能导致不同的碰撞损伤过程或结构损伤变形。     

柔性、刚性球艏对双壳舷侧结构耐撞性能影响的研究

采用非线性显示动力有限元软件LS_DYNA,对舷侧双壳结构在柔性和刚性球艏撞击下的动力响应进行仿真研究。采用全船有限元模型,考虑船体周围附连水质量对结构动力响应的影响。给出了碰撞力—撞深、能量—撞深曲线以及各构件吸收的能量。仿真结果表明：不同球艏撞击下舷侧内外壳板的破裂时刻、撞深和舷侧结构变形性能都有所不同。     

提升我国内河双壳油船耐撞性标准的建议意见

从提高内河船舶耐撞性能的角度对提升双壳油船的安全标准问题提出了建议意见．首先给出了我国内河双壳油船耐撞性标准的经验计算公式,在此基础上采用图表的形式给出了撞击船的排水量A与极限撞击速度Vcr之间的对应关系．该建议意见具有思路直观、明确,使用方便的特点．     

船舶碰撞损伤影响因素研究综述

为减少船舶碰撞损伤的影响、增强船舶航行安全性、保护水面环境，船舶碰撞损伤影响因素受到关注。该文从撞击船首、被撞船舷结构以及两船的相对运动状态等3个方面对船舶碰撞损伤主要影响因素进行综述。从优化船首设计、增强船舷结构强度和驾驶船舶应急操作3个角度阐述减少船舶碰撞损伤的对策建议，指出其中存在的不足，并提出下一步船舶碰撞损伤研究展望：协调缓冲船首刚度与变形度、提高船舶耐撞性与增加船体结构质量，及应急操作与舵手能力不足之间的相互关系。     

内河航道桥梁船撞时船体最大变形量研究

目前在桥梁船撞防护的专项设计或船撞力专题研究中,对船舶撞击力的研究和桥梁在船舶撞击作用下的响应关注较多,而对船体最大变形量的研究较少。基于ANSYSLS-DYNA软件,对4种不同载质量的内河代表船舶在3种航速、2种碰撞角度下撞击4种墩型的船撞工况进行数值模拟,提取船体最大变形量,并分析船体最大变形量与船舶载质量、撞击速度、桥墩类型及撞击角度的关联性,同时与经验公式做对比。研究结果表明,撞击速度及撞击角度是船体最大变形量的主要控制因素,桥墩类型与之关系不明显。     

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。     

基于全耦合技术的船体结构碰撞性能研究

由于船舶碰撞问题的复杂性,通常是将船舶碰撞的外部机理与内部机理分开研究。作者基于“全耦合”分析技术,建立撞击船与被撞船整船模型,成功解决了船体与流场、撞击船与被撞船的耦合。此外,考虑撞击船与被撞船同步损伤,将内部机理同外部机理同步分析。通过数值仿真计算,分析了碰撞后撞击船与被撞船的运动、能量转化以及碰撞力、损伤变形及各构件的吸能情况。另外,开展多种碰撞工况计算研究,得出了便于工程应用的极限撞速曲线,为后续的船舶碰撞研究提供了技术支撑。     

浮冰作用下铝合金高速船舷侧结构耐撞性能研究

为分析浮冰载荷作用下铝合金高速船结构的耐撞机理,运用有限元软件Ls-dyna对铝合金高速船舷侧结构与浮冰碰撞开展有限元分析。为准确模拟船体局部结构承载特征,考虑了热影响区中铝合金材料软化对舷侧结构耐撞性能的影响。通过研究舷侧结构在不同位置与不同材料、形状的浮冰发生碰撞时的动态结构响应特性,揭示其变形损伤规律和能量吸收机制,得出最危险的浮冰形状和撞击位置。结果表明：选用的2种冰材料模型Mat.155和Mat.063均能较准确地模拟船-冰碰撞事故中浮冰的力学特性,均可用于对一年生浮冰的有限元分析。在一年生浮冰的撞击作用下,较钝的半球体和正方体形浮冰是最危险的浮冰形式,强肋骨位置是最危险的撞击区域。研究成果可为航行于北方航道的铝合金高速船结构耐撞性设计提供重要的参考价值。     

内河双壳油船舷侧结构耐撞性分析

提出了内河双壳油船舷侧结构耐撞性能的简化分析方法,详细讨论了球鼻艏撞击作用下内河双壳油船舷侧结构的总体破坏模式及其渐进破坏过程.在考虑舷侧外壳板发生断裂破坏后的剩余抗撞能力的基础上,给出了双壳舷侧结构的撞击力―撞深曲线和吸收能量-撞深曲线,并与有限元仿真分析结果进行了比较.简化分析方法得到的结果与有限元分析基本上是一致的,这表明该方法能对内河双壳油船结构的耐撞性能做出合理预报,可用于这类油船耐撞性能的评估.     

船-冰碰撞载荷下3种舷侧结构耐撞性分析

为探究船-冰碰撞载荷下横骨架式和纵骨架式2种船体结构的耐撞性能,利用MSC/PATRAN软件建立油船及冰体有限元模型,运用非线性有限元软件Dytran对船中舷侧结构与冰体棱角发生碰撞进行仿真。通过2种舷侧结构的船体与冰体碰撞,对比不同船体结构的损伤变形、碰撞力和能量吸收的差异,探究各种船体结构的优劣性。利用不同船体结构的优劣性能对现有的2种船体舷侧结构进行改进,合理布置横骨材、纵骨材的数量及尺度,在船舶总质量改变不大的前提下,采用优化混合骨架设计结构方法提高舷侧结构的耐撞性能。计算结果表明,该方案对冰区船舶结构加强具有重要的参考意义,可为提高冰区船舶耐撞性设计提供建议。     

基于正交设计与 BP -GA 算法的船体结构耐撞性能优化设计

船体结构耐撞性优化设计的主要目的是在船舶碰撞研究的基础上对结构进行优化设计,提高船体结构的耐撞性能。基于正交试验设计、BP神经网络和遗传算法,形成了船体结构耐撞性能优化设计方法。提出了一种耐撞性综合指标,并以此指标作为优化的目标函数,以结构质量为约束条件,利用MSC/Dytran有限元软件对船舶碰撞进行数值仿真,完成对某船舷侧结构进行耐撞性优化设计,结果表明优化过后结构耐撞性能有较大提高,这为结构耐撞性能优化设计提供了一种新的思路和方法。     

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。     

船舶加筋板结构耐撞性能分析

提出计及摩擦力影响后船舶舷侧加筋板耐撞性能分析的一种简化分析方法,详细讨论了球鼻艏撞击作用下舷侧加筋板的渐进破坏过程,给出了相应的撞击力-撞深曲线和吸收能量-撞深曲线。通过与已有试验结果的比较表明,该简化分析方法能对船舶舷侧加筋板结构的耐撞性能做出合理预报,从而可用于设计阶段评估船体舷侧结构的耐撞性能。