Y型夹层防撞结构的耐撞性研究

发布时间：2020-08-31 15:00

　　随着航运业的发展,船-船、船-桥碰撞事故的风险也显著增加,有必要研究吸能效果好的耐撞性结构,来减少碰撞事故的危害。已有研究结果表明,Y型夹层结构具有良好的耐撞性指标和抗冲击性能。为了把Y型夹层板应用于船-船、船-桥防撞吸能结构的设计,有必要对该结构在横向冲击下的吸能效果和损伤机理进行研究。本文设计了一种适用于大尺寸夹层结构试样横向冲击的180度摆锤试验装置,采用数值模拟对不同试验方案进行研究。结果表明该摆锤装置可以模拟船舶撞击碰撞情况,同时避免二次撞击。试验试样使用单跨Y型加强筋,在试验前使用三维扫描技术获取了Y型夹层结构的初始变形,并进行了统计和回归分析,研究Y型夹层结构的加工初始缺陷。采用所设计的180度摆锤试验装置,对Y型夹层防撞结构的冲击响应进行了试验研究,分析不同撞头形状和撞击位置对结构响应的影响,并与理论分析进行对比。采用高速摄像机和布置在撞头后部的加速度传感器获得试验中的速度历程和加速度历程,并转化为出冲击力-位移关系,并应用三维扫描技术获得撞击后夹层板的变形。采用试验结果对数值仿真分析进行验证,说明有限元模型的合理性。结果表明当撞击点在板筋交叉点时,结构响应主要取决于整体横向刚度。在此基础上,采用数值方法研究撞头尺寸、撞头形状、冲击速度、加强筋的尺寸对Y型夹层吸能结构的冲击响进行研究,获得的结论对该结构船-船、船-桥防护吸能结构的设计具有很好的参考价值。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U443.26
【部分图文】：

碰撞损伤

1.1 课题背景与意义随着航运业和海运运力的提升，船舶碰撞事故的风险也显著提升。当碰撞发生在船舶之间时，对于船体结构会造成严重的损伤，进而造成生命财产损失。2017 年6 月美国海军“菲茨杰拉德”号驱逐舰与“水晶”号集装箱船的碰撞事故中，在集装箱船的船首水面线以上部分对这艘“阿利伯克”级驱逐舰上层建筑造成严重破坏的同时，集装箱船的球鼻艏对被撞船的水线以下的船体也造成了破坏，进而导致被撞船水下以下大量设备浸水，全舰丧失主动力，仅能依靠辅机以 3 节航速移动，事故后的维修成本也相当高昂。被撞船舶舷侧受到撞击船首船舶的正撞的情况通常被认为是船舶碰撞中相对危险的状态，由于船首部分构件相对密集，在碰撞时撞击船船首部分相对于被撞击船舶的舷侧结构表现出更大的刚性，被撞船舶的舷侧结构会吸收相当多的能量，撞击深度和结构破坏可能会相当显著。另外，由于球鼻艏出色的减阻效果，这类结构在船舶上得到了广泛运用，也使得船舶碰撞对被撞船舶水下结构造成损伤的可能性大幅增加，相比与水线上船体部分和上层建筑的结构破坏船体水线下部分的损伤可能造成更严重的后果，甚至导致被撞船舶的沉没。

舷侧结构,加强筋,Y型,双层舷侧结构

华中科技大学硕士学位论文I 耐撞结构的设计思路，使用圆管结构改善耐撞性，提出了提高 VLCC 舷侧耐撞 CCT 耐撞结构，在双层舷侧结构中布置纵向圆管的同时，在边油舱内部增加圆管和工字钢组合成的变截面横向支撑，这种结构设计被认为能以结构重量小加为代价提高结构的耐撞力和碰撞吸能。2001 年，Ludolphy[16]提出了一种应用于双层舷侧结构中的 Y 型加强筋，其如图 1- 2 所示，这种舷侧结构被认为有着优于传统双层舷侧结构的耐撞性，在内河船舶上得到了应用。

冲击试验设备

2.1 冲击试验相关研究静态或准静态的试验忽略了材料动态率应变效应，而材料应变率对结果影响很大，有必要开展的动态碰撞试验研究。针对船体构件和部分结构冲击试验研究所用的设备可以大致分为两类，一类是直接使用现有的通用冲击试验机，另一类则是根据试验要求设计制作的专用试验机构。目前市场上的冲击试验机功能已经比较完善能够使用计算机进行精确控制和数据采集，能够施加不同形式的冲击载荷，部分设备还能够实现防二次撞击的功能。但是现有的通用冲击试验设备的设计用途用主要是材料性能试验，可用的试样尺寸通常较小，在合理的操作下能够兼顾小尺寸构件的冲击实验研究，但无法适用于较大尺寸试样的冲击试验。对于较大尺寸的试样通常需要设计对应的试验机构。现有的冲击试验研究中，使用通用试验机和专用试验机构的情况均存在。Liu[3等人使用一台如图 2- 1（a）所示的 IFW 5 落锤试验机研究了薄铝板在不同形状撞头作用下的失效情况。Sang-Rai[8]等人设计进行的加筋板横向冲击试验中部分试验工况使用了图 2- 1（b）所示的摆锤式试验装置。

【参考文献】