舷侧结构的耐撞性对比研究外文翻译资料

 2022-09-18 17:37:29

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舷侧结构的耐撞性对比研究

在由交通运输部支持的ASIS进行的提高油轮碰撞和搁浅安全性的7年的研究项目的第二阶段，为了说明在研究在实际应用领域的巨大潜力，而进行了一系列采用了ASIS的基于有限元分析的舷侧结构碰撞数值模拟实验。假设一艘简化的15万载重吨钢制船舶，研究了VLCC船各种舷侧结构设计方案的能量吸收能力，比如数量增加舷侧纵桁，双层舷侧结构，底边舱与顶边舱连接，和单向梁加强。各结构部件的贡献，侧外壳，内壳，横向幅，侧纵梁等也进行了深入的研究。基于这个数值研究和1/2尺度比碰撞实验的结果，研究出了一种新的油轮舷侧结构。目前正在进行关于对碰撞可溃缩结构，船头和增强对接地底结构设计的进一步研究。

简介

由于大量石油泄漏，油轮搁浅伴随着巨大的环境罚款。例如，1989的阿拉斯加海岸油轮搁浅事件、1993设得兰群岛油轮搁浅事件、1995的朝鲜半岛油轮搁浅事件，1996的南威尔士油轮搁浅事件。油轮碰撞事故的发生，并因此造成生命损失，其中包括1993苏门答腊岛海岸的邮轮碰撞事故，已经把原油油轮事故现象确定为全世界关注的问题。

在日本，在交通部的支持下，船舶工业结构改进协会（ASIA）开展了持续七年的研究项目（始于1991年）“原油油轮石油泄漏防护”。该研究项目主要集中在两个方面：第一，因碰撞或搁浅，冲击载荷引起的结构损伤的动态过程。第二，因溢油，船体进水或两者同时作用而发生破坏船体的动态过程。

至于结构性损伤研究，分析，数值模拟和实验方法已被采纳。ASIS已经专门委托三菱重工业（MHI）规划和执行这个研究项目。

ASIS之前在船侧碰撞方面的研究工作

  1. 全尺度碰撞实验

一 系列的全尺度碰撞实验，如图1所示，是1991年日本荷兰联合研究项目，在荷兰水道使用约80米长的两内河航道油轮进行实验[ 1 ]。初步的数值模拟是在1991年由MacNeal-Schwendler公司(MSC，Gouda)进行的[ 2 ]，接下来的是1993年进行的修改模拟实验，采用了由MHI特别为船舶碰撞和搁浅研究定制开发的仿真系统[ 3 ]。

图 1

根据试验结果，建立了考虑附加水质量、时变阻尼波等因素的钢板断裂、对接焊缝、角焊缝破裂，船舶的刚体运动破坏模型，被研究改良到了可以实际应用的水平。

  1. 1/2尺度模型碰撞实验

1992年至1993年之间在三菱重工长崎的实验室里使用1／2比例模型进行了一系列的准静态和动态碰撞实验[3,4]。材料应变率对材料性能的影响，以及由于腹板加强导致模型损伤的差异，等得到了阐明。

  1. 侧面碰撞的初步数值模拟

在1994年初步采用MSC-DYTRAN编码进行了一系列超大型油轮（VLCC）船侧碰撞损伤数值模拟实验[5]。

防撞结构研究

  1. 研究目的

研究的有效结构部件以改善双面的耐撞有极大的价值和意义。从保护货油舱的角度出发，对撞击船的船头相对刚度和撞击船两侧的能量吸收能力是关键。能量吸收能力主要取决于接触点压力和渗透的乘积。因此，提高材料刚性和偏转的结构排列或材料提高材料延展性都是有效的。与此同时，结构的可靠性、生产率和可维护性以及生产所需的成本必须满足船东和船厂的满意度。至少每单位重量或成本的新型结构的能量吸收能力必须超过现有结构的能量吸收能力。

如表1所示，大型商船船体主体结构一般不采用有色金属和复合材料是由于其致命的缺点，能量吸收能力（延伸率）、生产率（成型、切割和焊接），在咸性，油水环境的抗腐蚀性，防火性能，以及成本。蜂窝式夹层结构不能被广泛采用，也是因为同样的原因。

表格 1

基于上述调查和以前的研究结果。有两种类型的钢制结构部件被认为可能替代现有的双面结构方案。这些结构将在下面的小节中详细描述。

  1. 可能的结构形式

一种以两块面板与中间纵向框架网格建造的夹层板被认为将替代传统的加筋板，即加强的壳板与轧制部分的组合。夹层板必须通过与常规的设计相同的方式一样被主要的横向腹板支持。然而，夹层板和横向网格是由小支架设置在每个帧内的简单连接代替传统横向切口的复杂的连接细节的方式。提高材料延展性可以减少应力集中因此也受到期待。柔性前端连接设置有较短的间距或与横向腹板没有直接连接都可以提高该结构的整体延展性。夹层板的初始孔隙空间的深度约300毫米，这使得夹层板还具有一个优势，万一发生船体破坏时的潜在的浮力损失；即，夹层板的结构提供了一个额外的货油舱的阻挡层。

至于内部框架网格的倾斜，不规则性的崩溃模式可以被消除，但是，从为了更好的焊接质量的角度来看，内部框架网格角度应大于初始设计角度（约60度），如图2所示。

图 2

夹层板的潜在缺点是降低了横向腹板的整体抗弯刚度，以及减小了有效剪切面积，使得船体梁的抗剪能力下降。

波纹板（如图3所示）也被认为将替代传统的加筋板，即，纵向舱壁板加筋轧制。其几何形状虽然没有优势，但是由于沿纵向方向的波纹，对其延展性的改进可以预计。潜在的缺点是在横向腹板之间的连接处圆角上疲劳强度的不利影响，并降低了对船体梁剪切力有效剪切面积以及横向腹板的整体弯曲刚性降低。

  1. 动态碰撞实验

动态碰撞实验，如在1992 年至1993年间进行了夹层板板和波纹板规模模型的动态碰撞实验，以调查的实际损害模式，并为接下来的数值模拟提供参考数据。这两种比例模型被横向刚性网格（2000毫米间隔）与垂直连接支架，还有纵向较厚延伸板有效的支持。与实际油轮的船侧结构的显着的区别是，有在横向方向上没有直接约束。粗略地说，规模模型是在准单向应力场的作用下受损。

3.1 实验装置

比例模型被8.44吨重的刚性模型，从塔的顶部下降，沿框架导轨自由下落反复撞击。最大起升高度和打击速度分别为约490米和10米/秒。换句话说，每一个自由落下的最大能量供给被限制在约405300 J.

因为能量吸收是由于比例模型的弹性变形，所以累计吸收能量必须基于能量供给和刚性弓模型的初始回弹速度都被校正。

在相同的水平的比例模型，比例模型巨大的侧移导致水平支撑排列端支撑和侧架之间拉力过大。如图4。

3.2 材料属性

钢材料的机械性能在控制应变率的状态下进行了准静态拉伸试验和动态拉伸试验测试[6]。

夹层板和波纹板的材料最初分别被指定为NK 级软钢，和JIS SS400软钢;然而，如表2所列的实际性能表明，那些也遵从于高强度钢（HT）的规定。

可以看出，应变率对屈服点的影响是显著的，而在中等长度下对拉伸强度和延伸率的影响依然不是很确定。

3.3 结果

夹层板模型部分断裂，由于是四自由度下落的模型，而波纹板完全断裂的结果是一个“1 alpha;”个自由度下落的模型。

至于夹层板，一个额外的实验进行了使用其它刻度模型，显示出的结果与第一个比例模型十分接近。

在夹层板模型被穿透的第一阶段，夹层板发生局部屈曲，同时夹层板上层板面无支持跨度中心发生缩进。

在模型被穿透的中间阶段，夹层板的上层板面根据刚性撞击模型的形状大范围变形。另一方面，由于集中的线性荷载作用于夹层板，夹层板的下层面板变形为“W”形，如图6所示。

夹层板内侧腹板在有序的垂直支撑“U”形屈曲系统，如图7所示。

在模型被穿透的最后阶段，当平均塑性应变达到约15%，裂纹开始在框架面板的上板的外边缘产生。初始裂纹一开始在横向方向上传播，然后进入内部腹板。如图7中所示。

在波纹板模型被穿透的第一阶段，由于在横向弯曲刚性的差，波纹板严重偏转并侧缘向上转动。裂缝在竖直的支撑网支架底部开始产生，并迅速传播，当平均塑性应变达到约5％时，波纹面板很容易破裂，如图10所示。

4. 数值模拟与讨论

针对每个实验都进行了数值模拟，以调整适当有限元的网格大小。为比较模拟结果与这些比例模型的实际反应而准备了网格大小不一的模型。

至于夹层板，由于网眼大小差异几乎可以忽略不计，并如图11所示的模拟结果，包括裂纹萌生的位置和时间与实验基本一致。 基于这些结果，可以得出结论，关于夹层板粗网格的数值模型是可接受的;侧面碰撞的研究内容，将在下一节进行介绍。

至于波纹板，不同的原因目前尚不明确，但是，模拟结果与实验结果并不是很吻合，如图12所示。

侧面碰撞比较研究

  1. 研究目的

为了开发具有高耐撞性能的侧面抗碰撞结构，进行了一系列侧面碰撞的数值模拟。

还将这两个备选结构的能量吸收能力与标准300 KDWT类VLCC的双层壳结构的能量吸收能力进行了比较;此外，每个结构部件或类别的贡献也都进行了详细研究。

  1. 研究方法

数值模拟系统是在ASIS研究项目的第一阶段比较研究的基础之上被开发出来的。

该系统由显式有限元核心代码（软件利弗莫尔：LS-DYNA3D）和新开发的专门为船舶碰撞和搁浅仿真定制的用户子程序组成。通过这些用户子程序，与船舶刚体运动耦合的结构响应，角焊缝和对接焊缝的失效，应变率对材料性能的影响，以及钢板的韧性断裂都可以被系统的模拟[6]。例如，各种尺寸的钢板断裂准则一如累积应变损伤因素对疲劳强度评估一如下公式表示。在累积应变因子D(t)超过1.0的情况下，该板被判定为破裂并且该物体的有限元（小尺寸的情况下实用）应自动从整体有限元模型中删除：

至于角焊缝的失效，用内部约束的双网格点来模拟焊接连接，当焊缝处工作应力水平超过阈值时，将被分割成每个独立的网格点。工作应力水平和阈值是根据在1976年由国际焊接学会给出的定义。

  1. 仿真模型

把船舯处1/2货舱长度的货舱结构(只左舷)作为模型，并在边界加上适当的约束。

在油轮船舯货油边舱，斜舱壁也依照实际设计建造了模型。如图20所示，布置在货油中央油箱的支杆被理想化为弹塑性弹簧。船舶碰撞模型的有限元与杆单元加起来的总数大约是32000到61000个。

同时指出，下限耐撞性可以得到澄清，因为碰撞船舶船体既没有刚性运动，也没有结构性损伤，也没有能量吸收，都在这个对比研究中进行了审议。

3.1 常规VLCC与普通双层壳结构

如图14所示是一个采用传统的双壳结构的标准的超大型油轮，将它作为参照船，得到侧面碰撞时的能量吸收能力。一个标准的超大型油轮的主要特征列于表3。

3.2 所有船体用钢采用YP350级高强度钢

在不降低原有尺寸大小(如板厚)的前提下，将所有的标准VLCC的材料改为YP350级高强度钢。

3.3 增加双舷水平隔板(平台板)

额外增加3块双舷水平隔板(平台板),在这种设计下，双舷水平隔板(平台板)的总数达到6块。

3.4 双层壳与顶边舱

与矿石/散货/油船的设计类似，顶边舱被设置在双层壳结构的顶部。并在顶边舱的底部额外设置了一根隔板强梁。

3.5货油边舱撑杆

在货油边舱内设置撑杆，以直接支撑双层壳结构。同时横向腹板厚度相应减小。

3.6 单向梁加强的双层壳结构

考虑到双壳结构的连续性，除上、下两侧的部分外，所有的横向腹板都被拆除。船壳和纵向舱壁只用舷侧纵骨加强，以代替纵向加强筋。

3.7 新型双层壳结构设计

在前一节所述的夹层板应用于舷侧外壳和纵向舱壁结构。这种设计理念总共为货舱提供了4层屏障。

4. 假定碰撞条件和材料特性

假定撞击船舶满载而被撞船舶处于正常压载工况。两艘船只的相对定位显示在图20。这被认为是最有可能发生在港口的情况之一。在这种假设下，被撞船的舷侧双层壳结构损坏主要是由碰撞船舶球鼻艏造成。碰撞船舶的球鼻艏正好位于横向油密舱壁和缓冲舱壁之间的中点线[8]。即直角碰撞发生在舱长的1/4长度处。

为了简化，将碰撞速度设置在一个恒定的值，10米/秒（约19.5节）。

钢材料的机械性能被假定为保证值，且完全符合船级社的最低要求。从某种意义上说，这类使用YP 350 HT钢设计的结果可以明确地证明采用优质碳钢船的潜在优势，实际上拥有超过规范的力学性能。

假定真正的应力与真实应变曲线和断裂应变的定义，如图21和22显示。在图22中可以看到，低碳钢(如YP315和YP350级高强度钢)断裂应变的实际下降小得可以忽略不计，因此在比较研究中忽略不计。钢与钢之间的接触摩擦系数假定为恒定值0.3。

5. 评价指标

探讨双层壳舷侧结构耐撞性指标定义为被撞击的船体的结构损伤直至纵向舱壁开始破裂时吸收的应变能[8,9]。

实验结果

6.1 常规VLCC与普通双层壳结构

当球鼻艏穿透1.750m和5.000m时舷侧和纵舱壁分别开始断裂。在球鼻艏撞击区域周围有限的区域内产生严重的破坏。仅部分区域产生高应力。

6.2 所有船体用钢采用YP350级高强度钢

当球鼻艏穿透2.125m和5.250m时舷侧和纵舱壁分别开始断裂。相比常规VLCC，稍有延迟。

高应力区比标准VLCC扩展更远。由于球鼻艏形式,摩擦与接触面积增大，导致被撞船舶船壳破裂开始后塑性应变继续增加。

甲板上无严重屈曲变形。

6.3 增加双舷水平隔板(平台板)

当球鼻艏穿透1.750m和4.875m时舷侧和纵舱壁分别开始断裂。高应力区域相比标准VLCC更小更加受限。随着球鼻艏穿

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