夏燕生 安徽省淮河船舶检验局
摘要: 为了研究落锤冲击下船体板框架的动态力学性能，本文对不同应变率下船体结构的材料性能进行静、动态拉伸试验，得到了船体板框架的模型参数。船用钢通过拟合并将其用作模拟输入。 ，对V型波纹板进行碰撞有限元模拟分析，研究V型波纹板的损伤变形、单元变形模式、能量耗散和碰撞载荷。 研究成果对船体结构设计和船舶耐撞性评估具有一定的指导意义。
关键词：船舶碰撞； 船体板框架结构； 动态机械性能； 数值模拟；
作者简介：夏燕生(1989—),男,本科生,工程师,研究方向:船舶与海洋工程。 ;
0 前言
板框架作为船体结构的基本组成部分，需要研究其在船舶碰撞过程中的力学性能，以指导船舶结构设计。 为了准确地进行碰撞问题的数值模拟，需要考虑船舶钢材的实验设计。
国内外学者针对板框架结构的力学性能开展了一系列的试验研究。 文献[1]对板式框架进行了准静态冲压试验研究，揭示了其吸能及失效机理。 [2]建立了船舶碰撞的相关性分析。 在所有的航运船舶碰撞事故中，船底两侧的底板往往是受损最严重的区域，因为船舶航行安全始终排在第一位。
为了研究落锤碰撞冲击下船体板框架的动态力学响应，首先对材料进行了不同应变率条件下的拉伸实验。 通过对实验数据的精确拟合，成功提取了适合船用钢的CS模型参数。 进一步利用软件对碰撞过程进行模拟，综合研究V型波纹板的损伤变形、单元变形模式、能量耗散和碰撞载荷特性。 该研究不仅揭示了碰撞动力学过程中的微观和宏观行为，而且为船体结构设计和船舶耐撞性评估提供了重要的理论依据和实践指导，具有一定的工程应用价值。
1 船体结构材料性能测试与分析 1.1 试件参数
根据《金属材料拉伸试验》标准（GB/T 288.1-2010）规定选用合适的材料对船用低碳钢（Q235）母材进行室温拉伸试验，微机控制万能试验机用于进行准静态测试。 拉伸测试。 具体试件尺寸参数如图1所示。
1.2 测试结果
利用准静态试验机获得了Q235材料的力学性能参数和工程应力应变关系曲线。 参数结果如表1所示。
图1 标准拉伸试件及尺寸下载原图
表1 材料力学性能参数 下载原图
1.3 模拟素材输入
将材料试验得到的工程应力应变曲线转化为真实应力应变曲线，并利用式(1)(2)将颈缩点之前的试验数据转化为真实应力应变曲线。
式中，σe——工程应力； εe——工程应变； σt——真应力； εt——真应变。
试件发生颈缩后，其真应力-真应变关系以式（3）的权重函数形式表示：
在公式：
式中，Ag——与Rm有关的参数； Rm——极限拉应力； e——自然对数的底。 Ag可由式（6）求得：
由于颈缩点前后的应变相同但应力略有不同，因此C部分是直接连接两部分的直线，如图2所示。
上述方法得到的“组合材料关系曲线”可以直接用于有限元软件中模拟材料参数的输入。
2 V型波纹壳板与落锤碰撞仿真场景分析 2.1 V型波纹壳板与落锤几何参数
V型波纹船体板结构由上下面板和中间的V型波纹船体夹层组成，如图3所示。V型波纹船体板结构面板长度a为，宽度b为1060 mm，夹芯层单元间距c为200mm，上下面板之间的高度H为100mm，上面板厚度tt和下面板厚度tb分别为4mm，上下面板之间的面板厚度tc为2毫米。 面板截面积是上下面板截面积与所含电池截面积之和。 具体参数值如表2所示。
图2 Q235真实应力应变曲线下载原图
表2 船体板尺寸参数 下载原图
楔形落锤的长度为420毫米，宽度为200毫米，高度为255毫米。 与V型波纹夹芯板的碰撞速度为8.28 m/s。 锤头及配重系统最大质量为1 350 kg，最大冲击能量约为50 kJ。
图3 V形波纹船体板结构示意图。 下载原始图像。
2.2 V型波纹船体板及落锤网格划分
根据波纹船体板的几何参数，建立了V型船体板的有限元结构模型。 通过大型有限元模型有限元分析软件，建立了固定环境下的三维弹性伸缩壳单元模型。 有限元模型的夹层间距和上下面板高度分为5个单位。 夹层之间的细胞也分为5个单元。 其中，金属板面板分为2个单元，长度和宽度大致相同。 网格单元采用单元，网格尺寸为10mm。 波纹船体板的有限元模型没有考虑初始缺陷。 模型材料采用材料拉伸的材料力学性能参数，楔形锤体采用三维实体单元建模。 楔形锤的质量由材料密度控制。 材料性能密度设置为0.007 5 g/mm3，力学性能为弹性，其中杨氏模量为235 000，泊松比为0.3。
2.3 装配边界条件设置
有限元模型边界条件示意图如图4所示。
图4 有限元模型边界条件下载原图
3 V型波纹船体板有限元模拟分析 3.1 碰撞损伤
利用有限元仿真软件对V型波纹船体板进行有限元仿真分析。 波纹船体板施加面接触力，楔形锤体对船体板模型产生冲击载荷。 对V型波纹船体板的屈曲响应过程进行分析，分析结果统计如表3所示。表3给出了V型波纹船体板的一阶屈曲特征值。
式中，D——夹芯板的最大位移。
表3 V型波纹船体板屈曲分析结果 下载原图
3.2 损坏和变形
整个上底板发生凹陷和弯曲变形，平板与锤头的接触区域沿Z方向形成塑性铰，非接触区域主要发生膜拉伸变形。 锤头与上基板接触区域的端部承受的应力最大。 加固结构主要遭受弯曲变形和膜材拉伸变形。 锤头正下方的四根加强筋出现明显的弯曲变形。 此外，芯层出现明显的扭曲变形，但没有发生破碎。
3.3 机组故障模式
船体板的变形由整体变形和局部凹陷组成。 连接点为剪切作用。 作用位置称为剪切点，也称为第一破裂点。 然后裂纹扩展并撕裂。 通过有限元模拟可以更清楚地看到失效的形式和位置。 该位置存在剪切力和拉力。
3.4 能量耗散
V型波纹船体板结构吸能情况见图5和表4。 结构吸能性能是评价结构的重要参数。 从图中可以看出，面板受到冲击载荷后，船体板的吸能增大。 V型波纹船体板在0.02 s左右达到峰值，最大值为45.49 MJ。 随着锤头反弹，能量吸收曲线略有下降，然后趋于平稳，最终能量稳定在44.63 MJ。 在整个碰撞载荷过程中，船体板各部件的吸能变化趋势总体保持一致，且各部件吸收的能量随时间增加。 另外，船体板结构中的上板是主要的塑性变形吸能构件。 计算结束，V型波纹船体板的吸能占68.41%。 因此，在设计船体板件时，应尽可能提高外板的抗碰撞性能。
4。结论
通过准静态试验，获得了典型船舶用钢的力学性能参数。 根据测试结果，进行了非线性材料模拟输入研究。 考虑了材料硬化、不同网格失效应变和应变率敏感性的影响，为结构冲击问题提供解决方案。 非线性有限元模拟计算提供技术支持。
本文利用有限元仿真软件非线性分析发现，在楔形锤体冲击载荷作用下，V形金属波纹壳板的抗冲击性能分析到极限，并得出其极限承载能力和失效模式进行了分析。 从有限元分析结果可以看出，V型波纹船体板超过弹性阶段后将发生屈曲破坏，而在塑性阶段仍能具有一定的承载性能； 最大变形发生在楔形锤体与船体板的接触区域，波纹船体板结构的主要吸能部位是上面板和夹芯板。
图5 V型波纹船体板能量吸收-时间曲线下载原图
表4 V型波纹船体板各部件能量吸收 下载原图
参考
[1] R，Liu B，C G.和刀口侧板的研究[J]。 ，2014（37）：173-202。
[2] V U.An 船舶动力转向系统[J]． 船舶，1958（2）：1-4。
