基于夹层板的单壳船体结构耐撞性设计分析

基于夹层板的单壳船体结构耐撞性设计分析

孙伟

中国船级社实业公司广州分公司 广东省广州市 510000

摘要：伴随航运业的日渐发展，其对船体质量提出更高要求，而将船舶碰撞损伤尽可能减小，并提高其结构的安全性，是进行耐撞设计的目的所在。单凭优化传统结构来提升船体结构耐撞性，空间比较有限，通过对高效的吸能单元进行设计，是实现结构耐撞性能提升的关键图形。本文围绕单壳船体，以夹层板为基础，就其结构耐撞性设计思路作一探讨。

关键词：单壳船体；结构耐撞性；夹层板

伴随航运业的持续、稳步化发展，高速、大型化的船舶越发受到推崇，并且航行密度也逐渐变大，港口变得更加拥挤，时常会发生船舶搁浅、碰撞事故。此些事故通常会造成许多灾难性事故，比如人员伤亡、船体结构破损及环境污染等。在此背景下，采取切实措施，促进船体结构耐撞性的提升，是进行船舶碰撞研究的目的所在。针对结构耐撞性设计来分析，其在对碰撞机理进行研究的基础上，通过持续优化结构尺寸，或者是对拥有特殊吸能单元的新式结构进行设计，来促进船舶结构相应耐撞性能的提升。夹层板主要类型有折叠式夹层板、蜂窝式夹层板等，具有多种优点，如比强度高、吸能好等，实为一种比较不错的能量吸收单元。本文围绕夹层板，就单壳船体结构的耐撞性设计思路剖析如下。

1.设计思路

关于夹层板单壳结构的具体设计思路：基于质量相同的条件下，采用夹层板对传统的外板以及骨材进行替换。夹层板上下蒙皮对船体外板进行替换，船体外板实为关键性的吸能构件，用夹层板将船体外板替换掉，能够对夹层板所具有的吸能特性给予充分利用；将外板肋骨或者纵骨予以舍去，用夹芯层结构进行替换。针对此种设计而言，其在保证质量相当的前提下，实现结构刚度的提升，另外，其不仅能实现焊接变形、结构焊接工作量的减少，而且对舱容所具有的影响也较小，还需要指出的是，此设计应用比较灵活，能够在诸如船侧外板板架、内壳板架以及船底板架等结构中使用。本文围绕单壳舷侧结构，在保证夹层板单壳舷侧结构在质量上同于原结构的情况下，围绕上述所提到的设计思路，选择夹芯层高度同于原结构骨材，调整其它相邻构件的连接，最终完成夹层板单壳舷侧结构的设计。

2.夹层板单壳舷侧结构耐撞性能

2.1碰撞方案

例如175000DWT单壳散货船舷侧结构，以夹层板为基础，成功设计出2种特种单壳耐撞结构形式，其一为折叠式夹层板（FSP）舷侧结构，其二是蜂窝式夹层板（HSP）舷侧结构，用事先准备好的刚性球形船首对舷侧结构进行垂直撞击。（1）用刚性船首对常规的单壳舷侧结构进行撞击。散货舷侧尺寸是20.93×22.0×6.5m，撞击船吨位是5000吨（带有球鼻艏），撞击速度设定为v=10m/s（19.5kn），另外，在撞击的具体位置上，选于x=10.45m，y=11.0m处。需指出的是，被撞船舷侧结构采用的是低碳钢材料，用Cowper-Symond本构材料模型（SC.Dytran提供），材料破裂最大塑性设为0.3，球鼻首撞头选用更为合适的刚性材料。（2）刚性船对HSP单壳舷侧结构首撞击。围绕蜂窝式夹层板夹芯层单元结构，参照HSP耐撞性设计的基本思路，得知HSP单舷侧结构的具体尺寸为：元边长d=520mm，夹芯层壁厚t_c=8.8mm，夹芯层高度h_c=520mm，上下蒙皮厚度t_f=9.5mm。而其他舷侧结构尺寸参数以及撞击方案参数与模型相同，选用当前比较常用的局部细化模型技术。（3）刚性船首撞击FSP单壳舷侧结构。围绕折叠式夹层板夹芯层单元结构，依据与之相匹配的FSP耐撞性设计思路，其尺寸为：栅格板单元边长a=600mm，夹芯层高度h_c=520mm，上下蒙皮厚度t_f=9.5mm，栅格板张角r=50°，夹芯层壁厚t_c=2.28mm。选用局部细化模型技术来行此操作。

2.2计算结果

2.2.1损伤变形

通过对HSP舷侧结构、单舷侧结构以及SP舷侧结构的损伤变形情况进行分析可知：（1）损伤变形存在局限性，舷侧凹陷形状都呈现为椭圆形；另外，针对HSP以及FSP结构损伤变形来讲，其与传统的单壳舷侧结构相比，有着较大的变形，提示夹层板能够增加舷侧结构的刚度，并且还能使结构损伤变形的范围扩大，因而有助于结构吸能的提升。（2）与结构碰撞力曲线分析相结合发现，常规结构在具体的极限撞深上是1.33m，而HSP、FSP结构分别为1.46、1.51m，采用夹层板将船体外板予以替代，能够增加结构的极限撞深。（3）对于常规舷侧结构外板来分析，其往往会表现出拉伸、撕裂的变形模式，而在具体肋骨上，所表现的变形模式主要有撕裂、扭曲等；针对FSP、HSP结构来讲，其舷侧外板在碰撞时，会产生比较明显的膜拉伸、撕裂变形。

2.2.2碰撞力

（1）通过对FSP单舷侧结构、HSP结构以及常规单壳舷侧结构的碰撞时撞深与碰撞力之间的关系曲线进行绘制发现，碰撞力曲线均有比较强的非线性；另外，均有显著的加、卸载阶段，尤其是卸载阶段，其有着比较明显的载荷波动。还需要指出的是，两种夹层板结构所对应的碰撞力曲线均有显著的平台段，提示夹层板结构可使结构的极限撞深得到提升，而夹层板结构能够通过结构极限撞深的提高，达到提高结构吸能的目的。（2）碰撞过程HSP单舷侧结构所对应的碰撞力较之常规单壳舷侧结构，要明显偏高，特别是在碰撞力处于加载阶段，提示HSP结构有助于整个结构刚度的提升，而且还能大幅提高结构的抵抗力。

3.结语

综上，针对FSP、HSP单壳舷侧结构而言，其无论是在平均碰撞力上，还是在耐撞性、吸能上，较之常规舷侧结构，均明显偏高，有着不错的耐撞性能以及强度特性，实为一种比较实用且高质量的耐撞结构形式。而较之FSP结构，HSP结构能够同时提高结构的极限撞深、抗撞力，所以，HSP结构更适合单壳船体。

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作者简介：孙伟（1986-05-27），男，汉族，籍贯：辽宁省凌海市，当前职务：船体监造，当前职称：助理工程师，学历：本科，研究方向：船体结构