关键词：船舶工程；夹层板；抗撞性能；折叠式夹层板；蜂窝式夹层板；
防撞设计的主要目的是减少碰撞损伤，提高船舶结构的安全性。只有对传统结构进行优化才能提高结构的抗撞性能。夹芯板(蜂窝夹芯板、折叠夹芯板)具有吸能性能好、比强度高的特点，是理想的吸能单元。以夹层板为基础，设计了一种新型的单壳侧抗撞结构，并对其抗撞性能进行了研究，并与不同的抗撞结构进行了比较。数值模拟结果表明，夹层板侧向结构显著提高了侧向结构的抗撞性能，是一种先进的抗撞结构。
一、夹层板单壳舷侧结构概念的设计
结构的耐撞性能高低取决于船体耐撞结构设计的质量，对于货船来看，货船结构的耐撞性往往会采用内壁板破裂的时候其耐撞指标来对其进行严格衡量，通过提升其极限撞深以及结构碰撞力来将结构耐撞性提升。从军船角度出发，结构的耐撞性通常都会在壳板破裂之前在相同撞深结构吸能以及结构比能进行相互衡量，通过提升其结构极限的撞深来将结构耐撞性提升，这一点并不是行之有效的措施，将结构碰撞力提升已经成为了提升船体结构耐撞性最为根本和有效的途径。
1.夹板层具有十分优越的力学眭能，并且这一种力学性能能够使夹板层在快艇、高速列车、飞机以及卫星等等轻型的交通系统里面得到相对来说十分广泛的应用。相关研究证明，船体夹层板具有十分优秀的耐撞性能，并且成为了性能优良吸能的单元。
2.对夹板层的单壳结构进行设计主要的思路为：在质量相等这一条件和前提之下，船体的夹层板代替了船体的骨材以及外板，骨材主要包括肋骨或者纵骨。具体的描绘体现在以下几个方面：船体夹层板上下的蒙皮主要代替了船体自身的外板，船体的外板成为了重要的吸能构件，夹层板对船体外板进行替代，能够充分利用船体的夹层板所具有的优良吸能的特性，除祛船体外板的肋骨或者船体外板的纵骨，使用夹芯层结构来对其进行替代。这一设计保证了质量，并且在这一个前提以及基本情况之下将船体结构刚度提升了，有效减少船体结构的焊接工作量以及其焊接变形的情况，对于船体舱容并没有很大的影响。这一设计理念和设计方案十分灵活，并且能够应用在内壳板架结构、船底板架结构、舷侧外板板架结构等等。相关研究表明船体的夹芯层密度、蒙皮板厚度、夹芯层高度已经成为了决定船体夹层板子身耐撞性能最为关键的参数之一。将单壳舷侧结构作为主要的研究对象，在保证船体的夹层板子身单壳舷侧结构和原结构这二者质量相同这一前提之下，根据以上笔者的设计思路选取一个夹芯层的高度和过去原有结构骨材，组要包括肋骨骨材以及纵骨骨材，它们的高度相当，其它相邻的构建连接应该进行与之相应的调整，进而将夹层板的单壳舷侧结构设计出来。
二、分析夹层板的单壳船体结构耐撞性能
1．基于夹层板的单壳结构抗撞性损伤变形分析。对FSP舷侧结构损伤变形、HSP舷侧结构损伤变形以及单舷侧结构损伤变形进行分析，我们不难看出，损伤变形一直都具有十分显著局部性，舷侧的凹陷形状也呈现出了椭圆形，FSP结构损伤变形以及HSP结构损伤变形相对于常规的舷侧结构变形来说比较大，这也就表明船体夹层板能够有效增加舷侧结构的刚度，将结构损伤变形自身的范围扩大，提升了结构吸能。切实结合船体结构碰撞力的曲线进行分析，从结果可以看出，常规的结构极限撞深为1．33m，而HSP结构自身的极限撞深是1．46m，船体FSP结构极限的撞深是1．51m，夹层板代替了船体的外板，进而增加了结构极限的撞深，极限撞深的增加对于我国单壳军船来说具有的意义十分重要。常规的舷侧结构外板通常表现为撕裂变形模式以及拉伸变形模式，肋骨结构主要体现在撕裂变形模式以及扭曲变形模式。船体的HSP结构以及船体FSP结构的舷侧外板通常都会在自身碰撞的过程中产生撕裂变形以及膜拉伸变形，夹芯层的结构也主要体现在自身在撕裂变形、压皱屈曲变形以及撕裂变形等等。
2.分析基于夹层板单壳船体结构耐撞性能碰撞力。船体碰撞力的曲线已经呈现出十分明显的非线性，存在十分显著的卸载阶段以及加载阶段，这些阶段中的载荷波动十分明显，这两种船体的夹层板结构自身碰撞力曲线具有十分显著的平台阶段，这也就从本质上说明了夹层板的结构将结构极限撞深提高，船体夹层板的结构通过将极限撞深提高进而将结构自身吸能提升。在整个船体碰撞过程中，HSP单舷侧的结构碰撞力比常规的单壳舷侧结构碰撞力有了显著的提升，特别是在碰撞力的加载阶段之中，这也就从本质上说明了HSP结构将结构刚度增加，并且将结构抵抗力提升。在实施碰撞的过程中，FSP单壳的舷侧碰撞力和船体常规的单壳舷侧结构碰撞力这二者基本相同。
3．碰撞方案与有限元模型。我们以175000dwt单壳型号的散货船实际船舷结构作为本次的研究对象，所以基于夹层板所设计得出的两种特殊的单壳形式的耐撞结构为：HSP(蜂窝夹层板)以及FSP(舷侧结构以及折叠形式夹层板)两种，主要采用的是刚性的球体形状船首撞击(垂直撞击)舷侧结构。(1)模型一：刚性的船首撞击常规下单壳舷侧结构分析在下图1中，主要针对散货型船体舷侧部分撞击模型进行简单的图示。主要构件图以及尺寸如下图1中所示；其中撞击船的系数为5，000t的带球鼻艏船，实际撞击速度为v=19．5kn(10m／s)；整个撞击过程中，位置选在y为11．Om同时x为10．45m的地方。
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图1常规型／FSP以及HSP单壳舷侧结构模型(有限元)
(2)模型二：刚性船首撞击HSP单壳舷侧结构。跟据HSP耐撞性设计思路，HSP单舷侧结构的尺寸如下：上下蒙皮厚度tf=9.5mm、夹芯层高度hc=520mm、夹芯层壁厚tc=8.8mm、单元边长d=520mm，其余舷侧结构尺寸及撞击方案有关的参数与模型一相同。有限元模型如图1(b)所示，采用局部细化模型技术。(3)模型三：刚性船首撞击FSP单壳舷侧结构折叠式夹层板夹芯层单元结构。根据FSP耐撞性设计思路，FSP舷侧结构的尺寸如下：上下蒙皮厚度tf=9．5mm、夹芯层高度hc=520mm、夹芯层壁厚tc=2．28mm、栅格板单元边长a=600mm，l=520mm，栅格板张角r=50。。有限元模型如图1(c)所示，采用局部细化模型技术。
三、结果与分析
从图2中不难看出;
1.能量吸收，(1)撞深相同的情况下，HSP单壳型舷侧结构实际能量吸收能力明显比常规型以及FsP单壳型舷侧结构的能量呼吸能力要强。这就证明了HSP本身具有良好的能量吸收能力。(2)对于FSP单壳型舷侧结构而言，其能量呼吸与一般的舷侧结构实际能量呼吸能力相等，但是，FSP单壳型舷侧结构实际撞深有明显的提高，当结构被完全撞破的时候，其结构的能量吸收能力有了一个明显的提高。
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图2能量吸收以及撞深曲线关系曲线示意图
2.损伤变形。(1)碰撞力曲线图本身表现出来的曲线都体现出了极为强烈的非线性性质，每一段中都有较为明显的卸载、加载阶段，在卸载阶段中出现的波动相对比较的明显一些。在两种不同的加成本结构产生的曲线中都出现了比较明显的平整的平台阶段，这就证明了家承办的结构对结构的撞深极限有一个较为明显的提高，同时这种提高也使得整个结构的能量吸收能力得到了增强。(2)在整个的碰撞过程中，HsP单舷侧型结构产生的碰撞力明显比之一般情况下的单壳舷侧型结构所产生的碰撞力要大，特别是在加载阶段，这就证明了，HSP结构可以有效地增加结构本身的刚度，同时使得结构的抵抗力得到一定程度的提升。
总之，耐撞性设计的基础是结构质量相等，如果适当提高夹层板结构的质量，结构的抗撞能力还将进一步提高。
参考文献：
[1]刘萍，浅谈基于夹层板的单壳船体结构耐撞性设计.2018.
[2]赵琴.探讨基于夹层板的单壳船体结构耐撞性设计.2017.
论文作者:常镇洋
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第17期
论文发表时间:2020/3/4
标签：结构论文; 船体论文; 夹层论文; 损伤论文; 模型论文; 性能论文; 极限论文; 《科学与技术》2019年第17期论文;