u型夹层板新式舷侧结构碰撞性能分析
国际航运事业在当今世界的经济中的地位已随着全球经济的发展而处于日益重要的地位，国际航道也随着航运业务的发展变得越发拥挤，这也导致了各种各样类型的船舶在通过航道时会不断发生一些碰撞现象，产生各种矛盾和损失。就会引发为了避免船体结构的破坏、货物泄露甚至人员的受伤与死亡，以及运载具有危险性的化学药物或者是原油等货物的船舶碰撞所导致的严重的环境污染，以免给人类和各类生物的生存环境造成严重的的威胁，减少船舶的碰撞是至关重要的一项工作。本文主要在船舶碰撞方面进行研究，以期大大提高船舶耐撞性能。夹层板结构和普通的加筋板架结构相比，夹层板结构具有质量更轻、结构形式更加简单、抗疲劳性能更强、抗锈蚀能力更强、空间利用率更加高以及制作成本降低等优点。近几年来，各个国家的海军、船级社、科学研究院所都不断的对夹层板系统进行制造、性能以及设计等方面展开了相应的研究工作，目的就是在于能够设计出性能更加优良、成本更加便宜、更加可靠和更加安全的船舶强度结构。国内外学者对夹层板系统进行了大量的学习研究，得出一些十分有价值的结论。U型夹层板其实是十分常见的一种用于船舶结构防护的设计结构，具有吸能效果好、建造工艺简单便捷、成本更加便宜等特点，广泛使用于局部的重要舱室的舷侧部分防护板架。为了促使夹层板系统在船舶的耐撞结构设计中更好的应用，本文主要是利用ABAQUS建立夹层板系统结构中数值仿真有限元模型，利用显示合理的动态求解器对于本船舶结构模型上的碰撞破坏特征进行数值仿真求解，分析能量转化、碰撞力及损伤变形等耐撞性能的变化。其主要的内容包括：（1）对U型夹层板舷侧结构进行了概念设计；（2）建立了U型夹层板局部板架结构的碰撞仿真模型；并对其碰撞力、吸能、变形等结果进行分析；（3）研究了在不同的初速度的撞击下U型夹层板结构的耐撞性能；（4）研究了在不同撞击角度的撞击下U型夹层板结构的耐撞性能；（5）研究了在不同质量的撞击下U型夹层板结构的耐撞性能；关键词： 船舶碰撞，碰撞性能，舷侧结构，U型夹层板目录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2 国内外研究成果 1
1.3 本文的主要研究工作 3
第二章 有限元及相关软件介绍 4
2.1 有限元介绍 4
2.2有限元法分析过程 4
2.3 A
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质量的撞击下U型夹层板结构的耐撞性能；关键词： 船舶碰撞，碰撞性能，舷侧结构，U型夹层板目录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2 国内外研究成果 1
1.3 本文的主要研究工作 3
第二章 有限元及相关软件介绍 4
2.1 有限元介绍 4
2.2有限元法分析过程 4
2.3 ABAQUS介绍 4
2.3.1 ABAQUS的主要模块 5
2.3.2 ABAQUS的功能 5
2.3.3 ABAQUS的应用 5
2.4本章小结 6
第三章 典型尺寸参数的耐撞性能分析 7
3.1仿真模型的建立及参数 7
3.2典型撞击工况的确定与结果分析 9
3.2.1典型撞击工况的确定 9
3.2.2 仿真结果分析 9
3.2.1.1碰撞力 9
3.2.2.2能量转化 10
3.2.2.3损伤变形 11
3.3本章小结 13
第四章 撞击参数耐撞性能的影响分析 14
4.1 刚性质量球的初速度 14
4.1.1初速度对碰撞力的影响 14
4.1.2 初速度对能量转化的影响 15
4.1.3 初速度对变形的影响 17
4.2 船体的质量 19
4.2.1 质量对碰撞力的影响 19
4.2.2 质量对能量转化的影响 20
4.2.3 质量对损伤变形的影响 22
4.3 船体撞击的角度 23
4.3.2 撞击角度对能量转化的影响 24
4.4本章小结 28
结语 30
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1研究背景
国际航运事业在当今世界的经济中的地位已随着全球经济的发展而处于日益重要的地位，国际航道也随着航运业务的发展变得越发拥挤，这也导致了各种各样类型的船舶在通过航道时会不断发生一些碰撞现象，产生各种矛盾和损失。就会引发为了避免船体结构的破坏、货物泄露甚至人员的受伤与死亡，然而运载的如果又是有危险的化学物品或者原油等货物，就更有可能会严重的污染到周围大部分海域及周边的生态环境,给人类和各类生物的生存环境造成严重的的威胁，减少船舶的碰撞是至关重要的一项工作。本文主要在船舶碰撞方面进行研究，以期大大提高船舶耐撞性能。尤其是对那些极易受到损伤的舷侧结构的分析研究，提高其船舶的防撞性能，对船舶是否能安全航行及环境的保护具有特别深远的意义。
早在1912年，著名电影《泰坦尼克号》中就立体的呈现了船舶碰撞的可怕后果，这艘豪华邮轮在首次航行的过程中就发生了碰撞问题，船长的操作失误导致泰坦尼克号撞上了冰山沉没，当场导致船舶从中间断裂，甚至造成1513名游客和船员丧生。还有，1978年3月16日，类似的悲剧在美国也发生了，卡迪兹号油轮是当地一家著名的石油公司的油轮，当这艘油轮行驶在法国的某海岸处时，油轮搁浅沉没，这个悲剧造成了22.4万吨原油意外泄漏，并且还污染了长达350公里的海岸线[1]。
1.2 国内外研究成果
从上个世纪50年代起，人们就一直在努力地用各种方法研究船舶的碰撞问题，经过持续观察和研究被撞船只的结构相应特征所得到的结论有助于对船舶低能碰撞的进一步研究与分析。意大利等发达国家也进行了类似的碰撞响应试验，但是由于船舶碰撞研究试验的成本过高，所以，近些年来开展的并不是很多[2]。夹层板系统在船舶、舰船结构中的应用也越来越受到各个国家船级社、海军等部门的重视。激光焊接夹层板系统在美国海军驱逐舰上的应用明显表明：在船舶结构中用折叠式夹层板来取代加筋板架具有更加广泛的前景，考虑到强冲击载荷情况下空气的非线性压缩等特点，研究在强冲击载荷的强烈作用下，折叠式夹层板结构的动态响应，并将这种相应与水下冲击波载荷作用下的动态响应进行了明显对比[3]。
早在上个世纪60、70年代，核动力船舶成为了国际船舶研究的焦点问题，人们主要对核泄漏等的相关问题就表示担忧。到了上个世纪80年代，国际能源日趋紧张和石油被过度开采，国际贸易的方向开始转变为原油的船舶运输，油船就成为国际研究重点，船舶在碰撞方面的研究得到快速发展是在上个世纪90年代以后，理念和工艺的创新使得新型船舶结构的大量出现，所研究的船型也不断发展，从一般的船舶发展到具有高附加值的新船型上[4]。
许多科研专家在对夹层板进行大量的分析研究时，获得了许多有价值的结论。U型夹层板在船舶结构防护设计上使用的非常普遍，具有吸能强、建造工艺简单便捷、节约资金等优点[5-7]，在局部重点舱室的舷侧防护板架上应用的十分普遍。许多国家在夹层板系统爆炸载荷作用下的动态响应进行过深入的分析。国外对夹层板系统覆盖层在船舶修理与预制夹层板系统在建筑桥梁方面的应用进行了更多的深入研究，例如在船舶建造中设计夹层板系统在舱口盖、滚装船车辆甲板和单壳体油船等的应用方案[8-9]。
自20世纪90年代，美国 Alaska State 的大型油轮“EXXON Valdez”搁浅事件发生后[10]，船舶碰撞方面的研究得到了非常高度的重视开始，发展也更加迅猛，全新的结构与理念的不断创新，实验的船型也从一般船舶发展到高附加值的新型船舶，如LNG、FPSO等。Lee J W 等科研专家通过多次的试验和仿真分析，提出了内外肋骨交叉布置（NOAHS型）和舷侧加装吸能圆管（NOAHSⅡ型）这两种耐撞双壳舷侧结构，使舷侧结构的形状不容易发生改变。Kitamura等专家则提出了两种耐撞双壳舷侧结构，分别是波纹板结构和骨架板结构。不仅国外，国内科研者也对这方面的工作开始了研究，所得到的研究成效让人满意。上海交大博士生导师顾永宁教授和王自力博士提出了一种新型的双壳舷侧耐撞结构[11]。这种结构通过对非线性有限元数值仿真研究发现，通过轴向塑性损伤变形来吸收能量，效果良好、达到预期，因此双壳舷侧结构可以据此进行优化设计及耐撞性能的提升。王自力[12]、姜金辉[13]通过多次不断地对单壳舷侧结构的耐撞性进行仿真和对比试验，终于提出了IFP与FCT两种舷侧结构，其中IFP舷侧结构的改造，是在骨架板的基础上完成的，这种结构能够使舷侧结构的硬度大大提升，增强耐撞力，也能让舷侧结构的变形吸能能力更加强大 ，尽最大可能的在发生碰撞时减少舷侧结构的碰撞和损伤[14] ，减少直接的经济财产损失和人员伤亡。 FCT
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2 国内外研究成果 1
1.3 本文的主要研究工作 3
第二章 有限元及相关软件介绍 4
2.1 有限元介绍 4
2.2有限元法分析过程 4
2.3 A
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质量的撞击下U型夹层板结构的耐撞性能；关键词： 船舶碰撞，碰撞性能，舷侧结构，U型夹层板目录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2 国内外研究成果 1
1.3 本文的主要研究工作 3
第二章 有限元及相关软件介绍 4
2.1 有限元介绍 4
2.2有限元法分析过程 4
2.3 ABAQUS介绍 4
2.3.1 ABAQUS的主要模块 5
2.3.2 ABAQUS的功能 5
2.3.3 ABAQUS的应用 5
2.4本章小结 6
第三章 典型尺寸参数的耐撞性能分析 7
3.1仿真模型的建立及参数 7
3.2典型撞击工况的确定与结果分析 9
3.2.1典型撞击工况的确定 9
3.2.2 仿真结果分析 9
3.2.1.1碰撞力 9
3.2.2.2能量转化 10
3.2.2.3损伤变形 11
3.3本章小结 13
第四章 撞击参数耐撞性能的影响分析 14
4.1 刚性质量球的初速度 14
4.1.1初速度对碰撞力的影响 14
4.1.2 初速度对能量转化的影响 15
4.1.3 初速度对变形的影响 17
4.2 船体的质量 19
4.2.1 质量对碰撞力的影响 19
4.2.2 质量对能量转化的影响 20
4.2.3 质量对损伤变形的影响 22
4.3 船体撞击的角度 23
4.3.2 撞击角度对能量转化的影响 24
4.4本章小结 28
结语 30
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1研究背景
国际航运事业在当今世界的经济中的地位已随着全球经济的发展而处于日益重要的地位，国际航道也随着航运业务的发展变得越发拥挤，这也导致了各种各样类型的船舶在通过航道时会不断发生一些碰撞现象，产生各种矛盾和损失。就会引发为了避免船体结构的破坏、货物泄露甚至人员的受伤与死亡，然而运载的如果又是有危险的化学物品或者原油等货物，就更有可能会严重的污染到周围大部分海域及周边的生态环境,给人类和各类生物的生存环境造成严重的的威胁，减少船舶的碰撞是至关重要的一项工作。本文主要在船舶碰撞方面进行研究，以期大大提高船舶耐撞性能。尤其是对那些极易受到损伤的舷侧结构的分析研究，提高其船舶的防撞性能，对船舶是否能安全航行及环境的保护具有特别深远的意义。
早在1912年，著名电影《泰坦尼克号》中就立体的呈现了船舶碰撞的可怕后果，这艘豪华邮轮在首次航行的过程中就发生了碰撞问题，船长的操作失误导致泰坦尼克号撞上了冰山沉没，当场导致船舶从中间断裂，甚至造成1513名游客和船员丧生。还有，1978年3月16日，类似的悲剧在美国也发生了，卡迪兹号油轮是当地一家著名的石油公司的油轮，当这艘油轮行驶在法国的某海岸处时，油轮搁浅沉没，这个悲剧造成了22.4万吨原油意外泄漏，并且还污染了长达350公里的海岸线[1]。
1.2 国内外研究成果
从上个世纪50年代起，人们就一直在努力地用各种方法研究船舶的碰撞问题，经过持续观察和研究被撞船只的结构相应特征所得到的结论有助于对船舶低能碰撞的进一步研究与分析。意大利等发达国家也进行了类似的碰撞响应试验，但是由于船舶碰撞研究试验的成本过高，所以，近些年来开展的并不是很多[2]。夹层板系统在船舶、舰船结构中的应用也越来越受到各个国家船级社、海军等部门的重视。激光焊接夹层板系统在美国海军驱逐舰上的应用明显表明：在船舶结构中用折叠式夹层板来取代加筋板架具有更加广泛的前景，考虑到强冲击载荷情况下空气的非线性压缩等特点，研究在强冲击载荷的强烈作用下，折叠式夹层板结构的动态响应，并将这种相应与水下冲击波载荷作用下的动态响应进行了明显对比[3]。
早在上个世纪60、70年代，核动力船舶成为了国际船舶研究的焦点问题，人们主要对核泄漏等的相关问题就表示担忧。到了上个世纪80年代，国际能源日趋紧张和石油被过度开采，国际贸易的方向开始转变为原油的船舶运输，油船就成为国际研究重点，船舶在碰撞方面的研究得到快速发展是在上个世纪90年代以后，理念和工艺的创新使得新型船舶结构的大量出现，所研究的船型也不断发展，从一般的船舶发展到具有高附加值的新船型上[4]。
许多科研专家在对夹层板进行大量的分析研究时，获得了许多有价值的结论。U型夹层板在船舶结构防护设计上使用的非常普遍，具有吸能强、建造工艺简单便捷、节约资金等优点[5-7]，在局部重点舱室的舷侧防护板架上应用的十分普遍。许多国家在夹层板系统爆炸载荷作用下的动态响应进行过深入的分析。国外对夹层板系统覆盖层在船舶修理与预制夹层板系统在建筑桥梁方面的应用进行了更多的深入研究，例如在船舶建造中设计夹层板系统在舱口盖、滚装船车辆甲板和单壳体油船等的应用方案[8-9]。
自20世纪90年代，美国 Alaska State 的大型油轮“EXXON Valdez”搁浅事件发生后[10]，船舶碰撞方面的研究得到了非常高度的重视开始，发展也更加迅猛，全新的结构与理念的不断创新，实验的船型也从一般船舶发展到高附加值的新型船舶，如LNG、FPSO等。Lee J W 等科研专家通过多次的试验和仿真分析，提出了内外肋骨交叉布置（NOAHS型）和舷侧加装吸能圆管（NOAHSⅡ型）这两种耐撞双壳舷侧结构，使舷侧结构的形状不容易发生改变。Kitamura等专家则提出了两种耐撞双壳舷侧结构，分别是波纹板结构和骨架板结构。不仅国外，国内科研者也对这方面的工作开始了研究，所得到的研究成效让人满意。上海交大博士生导师顾永宁教授和王自力博士提出了一种新型的双壳舷侧耐撞结构[11]。这种结构通过对非线性有限元数值仿真研究发现，通过轴向塑性损伤变形来吸收能量，效果良好、达到预期，因此双壳舷侧结构可以据此进行优化设计及耐撞性能的提升。王自力[12]、姜金辉[13]通过多次不断地对单壳舷侧结构的耐撞性进行仿真和对比试验，终于提出了IFP与FCT两种舷侧结构，其中IFP舷侧结构的改造，是在骨架板的基础上完成的，这种结构能够使舷侧结构的硬度大大提升，增强耐撞力，也能让舷侧结构的变形吸能能力更加强大 ，尽最大可能的在发生碰撞时减少舷侧结构的碰撞和损伤[14] ，减少直接的经济财产损失和人员伤亡。 FCT
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