船首結(jié)構(gòu)撞擊可變形船側(cè)結(jié)構(gòu)全過程的動(dòng)態(tài)模擬

船首結(jié)構(gòu)撞擊可變形船側(cè)結(jié)構(gòu)全過程的動(dòng)態(tài)模擬

1國(guó)外船舶碰撞研究的數(shù)值模擬方法隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)際貿(mào)易的不斷擴(kuò)大，世界各國(guó)船只在船只數(shù)量和噸位上不斷增加。與此同時(shí)，他們積極大型化和快速發(fā)展，海上交通變得越來越繁忙，船只事故頻發(fā)。這一數(shù)量和損失引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。船舶碰撞的非線性有限元數(shù)值模擬方法是進(jìn)行船舶碰撞研究的有力工具,也是國(guó)外研究的熱點(diǎn)。上海交通大學(xué)王自力博士對(duì)剛性的船首撞擊被撞船船側(cè)進(jìn)行了分析。然而目前在國(guó)內(nèi)尚未見到對(duì)兩艘可變形的整船相撞過程利用有限元方法進(jìn)行模擬,本文在國(guó)內(nèi)首次利用顯式非線性有限元方法對(duì)可變形的船首結(jié)構(gòu)撞擊可變形的船側(cè)結(jié)構(gòu)的全過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。通過對(duì)一艘40000t可變形的油船的船首正面撞擊一艘30000t單殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)的散貨船的碰撞模擬,詳細(xì)討論了船舶碰撞數(shù)值仿真中所涉及的關(guān)鍵技術(shù),給出了船舶碰撞仿真中提高計(jì)算效率、精確性和穩(wěn)定性的原則和方法。2計(jì)算機(jī)軟件仿真在船舶碰撞的有限元分析中,可以采用3種不同的方法進(jìn)行:附連水質(zhì)量法,流固耦合法,等效船體梁法。附連水質(zhì)量法是將相撞船舶周圍水的影響以船體附加質(zhì)量的形式加以考慮,排除復(fù)雜的流固耦合計(jì)算,節(jié)約CPU時(shí)間,而且可以得到比較滿意的結(jié)果。這是目前進(jìn)行船舶碰撞有限元分析最常用的方法。流固耦合法是將相撞船舶周圍的水劃分成一定數(shù)量的歐拉有限元,用有限體積法進(jìn)行計(jì)算,并采用流體-結(jié)構(gòu)耦合算法解決水-船體之間的相互作用。這是目前最準(zhǔn)確的仿真方法。程序MSC/DYTRAN可以用來進(jìn)行流固耦合法的計(jì)算。但是流固耦合法需要花費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)時(shí)間。作者曾對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單碰撞問題利用流固耦合法及附連水質(zhì)量法進(jìn)行仿真計(jì)算,發(fā)現(xiàn)同樣的問題用流固耦合法的計(jì)算時(shí)間大約是用附連水質(zhì)量法的100倍。對(duì)于一個(gè)整船相撞有限元仿真來說,即便是目前性能比較好的機(jī)器,如P41.4G的CPU,用附連水質(zhì)量法也要花費(fèi)幾十個(gè)小時(shí)的計(jì)算時(shí)間,如果用流固耦合法就要花費(fèi)幾千小時(shí)的計(jì)算時(shí)間。由于目前計(jì)算機(jī)硬件資源的欠缺,所以流固耦合法不適合應(yīng)用于規(guī)模較大的整船碰撞有限元分析。等效船體梁法是上海交通大學(xué)的王自力博士和顧永寧教授發(fā)展的一種船舶碰撞仿真的方法。這種方法是將碰撞過程中未發(fā)生損傷變形的船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量部分分離出來,以等效船體梁的方式加到碰撞區(qū)的結(jié)構(gòu)有限元模型上,這樣將大大提高建模的工作效率和仿真計(jì)算速度。但在這種方法中碰撞區(qū)結(jié)構(gòu)的約束邊界條件不完全等效于實(shí)際的情況,約束條件的不同必然造成傳力過程上的差異,并帶來船體運(yùn)動(dòng)的提前或滯后,從而直接影響船體動(dòng)能的變化曲線。綜上所述,由于附連水質(zhì)量法能夠得到比較準(zhǔn)確的仿真結(jié)果,而且對(duì)于整船相撞的仿真,這種方法的計(jì)算時(shí)間一般為幾十個(gè)小時(shí),是完全可以接受的,所以本文中的整船碰撞分析采用附連水質(zhì)量方法。本文采用程序MSC/DYTRAN進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。該程序具有非線性顯式算式,利用中心差分法在時(shí)域中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方程的積分運(yùn)算過程,對(duì)分析大變形結(jié)構(gòu)的動(dòng)響應(yīng)特別有效。3非碰撞區(qū)結(jié)構(gòu)的建?？紤]兩船發(fā)生側(cè)向?qū)χ写怪迸鲎睬闆r。撞擊船采用帶有球鼻首的40000t油船,被撞船采用單殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)的30000t散貨船,主尺度見表1。碰撞前,散貨船處于靜止?fàn)顟B(tài),其縱中剖面垂直于油船的前進(jìn)方向。碰撞位置設(shè)在散貨船的中部貨艙區(qū),并考慮高能碰撞情況,即引起碰撞區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生相當(dāng)大的塑性變形。由于建立整船有限元模型需要花費(fèi)大量的時(shí)間,而且模型過于復(fù)雜細(xì)致,不僅建模工作量太大,仿真計(jì)算占用的CPU時(shí)間也過長(zhǎng),計(jì)算規(guī)模也往往超出計(jì)算機(jī)的內(nèi)外存限制,可能最終導(dǎo)致仿真計(jì)算無法進(jìn)行,所以必須對(duì)整船結(jié)構(gòu)采取合理的簡(jiǎn)化措施。對(duì)非碰撞區(qū)而言,由于結(jié)構(gòu)在碰撞過程中不發(fā)生任何變形,它們的影響方式主要表現(xiàn)在船體重量、重心和慣性矩等方面,所以對(duì)這部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化是完全可行和可能的。為了顯著減少建模工作量,本文在保證船體重量、重心和慣性矩的前提下,對(duì)非碰撞區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大幅度簡(jiǎn)化。但為了保證船舶的重心與慣性矩,非碰撞區(qū)船體外板的空間線型應(yīng)盡量予以保證。至于碰撞區(qū)結(jié)構(gòu),由于在碰撞過程中將發(fā)生大的塑性變形和損傷破壞,對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確細(xì)致的描述是完全必要的,但碰撞區(qū)存在相對(duì)很小的構(gòu)件,如小肘板、窄翼緣板、尖角過渡等,網(wǎng)格劃分時(shí)會(huì)導(dǎo)致極小尺寸單元的出現(xiàn),使積分步長(zhǎng)大大減小,從而影響到整個(gè)仿真分析的計(jì)算效率,故對(duì)碰撞區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡刃幚硪彩欠浅１匾?。在本文中建立了一個(gè)全船有限元碰撞分析模型。撞擊船的船首結(jié)構(gòu)和被撞船的船側(cè)結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵碰撞區(qū)域,采用精細(xì)的有限元網(wǎng)格。在船首的最前端如球鼻首結(jié)構(gòu)和首部前端結(jié)構(gòu)由于需要表達(dá)復(fù)雜的變形模式,故采用特別精細(xì)的網(wǎng)格;而撞擊船船首后面的結(jié)構(gòu)及被撞船船側(cè)的遠(yuǎn)離碰撞中心區(qū)域的結(jié)構(gòu)在撞擊過程中變形和應(yīng)力都很小,所以可以假定為剛性材料,采用粗網(wǎng)格,這樣可以大幅度節(jié)省計(jì)算時(shí)間。模型中包含33267個(gè)四節(jié)點(diǎn)殼單元和325個(gè)三節(jié)點(diǎn)殼單元,36256個(gè)節(jié)點(diǎn)。整體有限元模型見圖1。碰撞區(qū)的有限元網(wǎng)格見圖2。4浮水船舶的連續(xù)壓有限元仿真中撞擊船的碰撞運(yùn)動(dòng)主要是縱蕩。Motora(1960)發(fā)生船舶縱蕩的附連水質(zhì)量mx大約為0.04m。兩艘船舶發(fā)生對(duì)中正撞時(shí),被撞船主要發(fā)生橫飄運(yùn)動(dòng)。Minorsky(1959)通過實(shí)驗(yàn)假定橫飄運(yùn)動(dòng)的船體附加質(zhì)量為:my=0.4m(1)my=0.4m(1)5材料本構(gòu)方程合理選擇結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)關(guān)系是碰撞分析中的重要內(nèi)容。簡(jiǎn)化的解析方法通常采用剛塑性材料模型。為了更真實(shí)地反映材料特性,本文采用線性強(qiáng)化彈塑性模型,其屈服應(yīng)力σy由下式給出:σy=σ0+EEhE?Ehεp(2)σy=σ0+EEhE-Ehεp(2)式中屈服應(yīng)力σ0取2.35×108N/m3,彈性模量E取2.06×1011N/m2,硬化模量Eh取1.18×109N/m3。其余材料常數(shù)密度ρ取7850.0kg/m3,泊松比μ取0.3。船舶碰撞是一個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程,材料的動(dòng)力特性影響不能忽略。由于船用低碳鋼的塑性性能對(duì)應(yīng)變率是高度敏感的,其屈服應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度極限隨應(yīng)變率的增加而增加,所以在材料模型中引入應(yīng)變率敏感性的影響。材料應(yīng)變率敏感性的本構(gòu)方程有許多,本文采用與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好的Cowper-Symonds本構(gòu)方程:σ′0/σ0=1+(ε˙/D)1/q(3)σ′0/σ0=1+(ε˙/D)1/q(3)式中σ′0是在塑性應(yīng)變率ε˙ε˙時(shí)的動(dòng)屈服應(yīng)力,σ0是相應(yīng)的靜屈服應(yīng)力,D和q對(duì)于具體材料來說是常數(shù)。對(duì)船用鋼而言,D=40.4,q=5。材料的失效非常復(fù)雜,本文將利用MSC/DYTRAN程序中給出的最大塑性應(yīng)變失效準(zhǔn)則,即當(dāng)結(jié)構(gòu)單元的等效塑性應(yīng)變達(dá)到定義的單元最大塑性失效應(yīng)變時(shí)單元失效,失效單元將不參與計(jì)算。但是單元的最大塑性應(yīng)變很難確定,而且它與碰撞區(qū)域的有限元網(wǎng)格大小有著直接的關(guān)系。我們可以根據(jù)利用有限元仿真模型試件的拉伸實(shí)驗(yàn)的方法來得到單元在某個(gè)最小單元網(wǎng)格大小下的最大塑性應(yīng)變。本文的最小單元的特征長(zhǎng)度大約為50mm,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.34。6接觸面的生成接觸問題的處理是船體結(jié)構(gòu)碰撞計(jì)算中重要而困難的部分。碰撞過程中,接觸邊界是不斷變化的,計(jì)算中必須不斷地對(duì)接觸邊界進(jìn)行搜尋。本文采用主-從面接觸算法,主-從接觸面包括從面和主面,它們分別定義在船首和船側(cè)上,碰撞開始前是相互分開的。在船首和船側(cè)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間也定義了一些主-從接觸,以防止碰撞過程中內(nèi)部構(gòu)件之間的相互穿越。另外,在船首外殼、平臺(tái)板和外底板等結(jié)構(gòu)以及船側(cè)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上還定義了自接觸,以解決碰撞過程中它們的壓皺問題。本文中定義的所有接觸都采用自適應(yīng)接觸算法,自適應(yīng)接觸是模擬破壞過程的非常有用的工具。當(dāng)接觸面范圍內(nèi)的單元失效后,程序自動(dòng)對(duì)接觸面上的相應(yīng)位置進(jìn)行更改。對(duì)于板殼元,破壞的單元將會(huì)被刪除掉,自然地形成破洞。7油船前進(jìn)速度的人為擬合利用大型非線性有限元?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)分析程序MSC/DYTRAN對(duì)上述碰撞模型進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。碰撞初速度(即油船的前進(jìn)速度)人為假定為5m/s,對(duì)于單殼船側(cè)的碰撞計(jì)算只需追蹤到船側(cè)外殼破裂為止。在奔騰4計(jì)算機(jī)上追蹤計(jì)算到大約6m撞深時(shí)(此時(shí)船側(cè)外殼已經(jīng)破裂)需運(yùn)行約67h(CPU-TIME=241035SECS)。本文的仿真分析結(jié)果可以反映船舶碰撞過程中的一般現(xiàn)象和基本規(guī)律,具有總體上的指導(dǎo)意義。7.1結(jié)構(gòu)損傷的主要表現(xiàn)為通過局部撞擊來造成主要損傷圖3表示了散貨船舷側(cè)結(jié)構(gòu)受撞區(qū)域損傷變形的時(shí)序結(jié)果。從圖中可以看出,結(jié)構(gòu)的損傷變形主要集中在撞擊區(qū)域,損傷區(qū)域的形狀特征與撞擊船船首的大小和型式有很大關(guān)系。這給了我們一個(gè)重要啟示,船體結(jié)構(gòu)耐撞性研究似乎不能脫離撞擊船的船首型式而孤立地進(jìn)行,因?yàn)椴煌淖差^型式可能導(dǎo)致不同的損傷變形模式,從而帶來結(jié)構(gòu)破壞形式和吸能計(jì)算方法上的差異。針對(duì)散貨船這樣一個(gè)具體的單殼舷側(cè)結(jié)構(gòu),在高能量碰撞情況下,不僅舷側(cè)外板要發(fā)生嚴(yán)重的拉伸破裂(見圖4),而且舷側(cè)肋骨也出現(xiàn)了嚴(yán)重的面內(nèi)彎曲和側(cè)向彎曲,在前傾船首的撞擊下船側(cè)甲板還發(fā)生了剪切破壞和動(dòng)態(tài)漸進(jìn)屈曲破壞。從圖4中可以看出撞擊船船首結(jié)構(gòu)的球鼻首部分變形不大,只是發(fā)生了小程度的壓潰屈曲,船首的上部前傾結(jié)構(gòu)與船側(cè)上部甲板相撞的部分發(fā)生了較大的壓潰變形,船首的幾塊突出于前方的甲板發(fā)生了一定程度的屈曲,中縱艙壁的上部前傾部分也發(fā)生了較大的壓皺和拉伸變形?？傊?我們可以從被撞船的損傷中看到,當(dāng)一艘具有單殼船側(cè)的船舶被一艘與之同量級(jí)或量級(jí)比它大的帶有球鼻首的船舶以正常速度正撞的時(shí)候幾乎不可能避免發(fā)生船側(cè)的破損。7.2s時(shí)的等效應(yīng)力圖5為1.0s時(shí)碰撞船舶的應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出,船側(cè)的碰撞中心周圍的一些單元已經(jīng)超過了屈服應(yīng)力2.35E+08Pa而進(jìn)入了塑性狀態(tài),船首外殼上的部分單元也進(jìn)入了塑性狀態(tài),而且在船首的上部與船側(cè)甲板接觸的部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中。可以看到碰撞到1s時(shí)船側(cè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被撞裂,然后船側(cè)破裂口邊緣的單元出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力卸載現(xiàn)象。圖6為1.0s時(shí)碰撞區(qū)的等效應(yīng)變分布圖。從圖中可以看出,這時(shí)碰撞區(qū)的單元的最大等效應(yīng)變?yōu)?.30(不包括已經(jīng)失效的單元,因?yàn)槭卧呀?jīng)隱去),此時(shí)沒有單元達(dá)到失效準(zhǔn)則中的應(yīng)變0.34。但是隨著撞深的增加即將會(huì)有單元達(dá)到最大塑性應(yīng)變而失效。圖7為船側(cè)外板上在不同時(shí)間失效的單元的等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出,單元92732在0.64s時(shí)已經(jīng)失效,此后隨著撞深的增加逐步會(huì)有另外的單元失效;單元的等效應(yīng)力在碰撞過程中的不同階段會(huì)出現(xiàn)一定的卸載現(xiàn)象,并且當(dāng)單元失效時(shí)等效應(yīng)力降為零。失效的單元將不再參與下面的計(jì)算,而且在船側(cè)外板上形成破洞。7.3船舶結(jié)構(gòu)碰撞特性分析圖8為船舶碰撞過程中兩船之間的碰撞力隨撞深變化的曲線。碰撞力-撞深曲線最直接地反映了船舶結(jié)構(gòu)的碰撞剛度。該曲線會(huì)同損傷變形模態(tài)及其時(shí)序結(jié)果可以對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的碰撞特性進(jìn)行綜合分析。從圖中可以看出,碰撞力-撞深曲線具有很強(qiáng)的非線性特征,在碰撞過程的不同階段船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的卸載現(xiàn)象。值得指出的是,碰撞力的每一次卸載都代表了某種構(gòu)件的失效或破壞,本算例中碰撞力的下降主要是由船側(cè)外板單元的破裂失效、船側(cè)肋骨的側(cè)向彎曲、甲板的動(dòng)態(tài)屈曲及撞擊船船首結(jié)構(gòu)單元的動(dòng)態(tài)屈曲造成的。7.4撞擊仿真結(jié)果碰撞開始時(shí)總的撞擊動(dòng)能為6.31E+08Nm,到仿真計(jì)算結(jié)束時(shí)(船側(cè)內(nèi)殼破裂時(shí))撞擊船的動(dòng)能損失為1.68E+08Nm,相撞船舶的總的塑性變形能為1.56E+08Nm。還有一小部分能量損失在被撞船的動(dòng)能增加中,被撞船的動(dòng)能增加為0.096E+08Nm。另外,還有很小一部分能量損失在沙漏能量及摩擦能量中。圖9為撞擊船的能量損失與能量轉(zhuǎn)化時(shí)序曲線。圖中顯示,在碰撞開始后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),被撞船的剛體動(dòng)能增加緩慢,而兩艘船舶的塑性變形能卻迅速增加,在計(jì)算終止時(shí)(撞深接近6m時(shí))變形能已大大超過剛體動(dòng)能。當(dāng)然,隨著碰撞的繼續(xù)進(jìn)行,船體運(yùn)動(dòng)速度會(huì)越來越大,剛體動(dòng)能將會(huì)急劇增加,并可能迅速達(dá)到和超過結(jié)構(gòu)的塑性變形能。但本文并沒有對(duì)此做進(jìn)一步的分析計(jì)算,主要是因?yàn)樵谧采钸_(dá)到6m以前被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)實(shí)際上早已破裂失效,超過了極限狀態(tài),就船舶本身抗撞能力的研究而言,進(jìn)一步的跟蹤計(jì)算已沒有多少實(shí)際意義。上述仿真計(jì)算結(jié)果是非常值得深思的,它說明船舶碰撞過程中船舶剛體運(yùn)動(dòng)與局部損傷變形并不是同步的,剛體運(yùn)動(dòng)具有一定程度的滯后效應(yīng)。按照這種情況,似乎可以認(rèn)為船舶碰撞所引起的剛體運(yùn)動(dòng)對(duì)碰撞區(qū)結(jié)構(gòu)的損傷破壞影響不大,也就是說船舶碰撞內(nèi)部機(jī)理的研究可以獨(dú)立于外部機(jī)理而單獨(dú)進(jìn)行(這也正是目前世界上廣泛采用的方法),采用這個(gè)思路會(huì)使船舶碰撞問題的研究大大簡(jiǎn)化。上海交通大學(xué)的王自力博士對(duì)撞擊速度的影響問題作了研究和討論。他發(fā)現(xiàn)被撞船剛體運(yùn)動(dòng)存在滯后效應(yīng),在碰撞的前期階段它所吸收的能量很小,完全可以忽略不計(jì)。圖10為撞擊船船首與被撞船船側(cè)吸收的塑性變形能的時(shí)序曲線。到碰撞仿真結(jié)束時(shí),被撞船吸收的塑性變形能為1.07E+08Nm,撞擊船船首吸收的塑性變形能為0.48E+08Nm。可見被撞船的動(dòng)能損失大部分被船側(cè)結(jié)構(gòu)的塑性變形能所吸收,這是因?yàn)榇捉Y(jié)構(gòu)的變形不大,而單殼船側(cè)結(jié)構(gòu)卻產(chǎn)生了很大的變形,并且發(fā)生了嚴(yán)重破裂。這也說明了一個(gè)事實(shí):本次仿真考慮的兩艘船舶中,被撞船的橫向撞擊剛度比撞擊船的縱向撞擊剛度小很多。8主要結(jié)論及其意義本文通過對(duì)一艘40000t可變形