赵 颖 杨兆瀚 石晓东
(1.东北林业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040； 2.中国船舶重工集团有限公司第七0三研究所,黑龙江 哈尔滨 150040； 3.哈尔滨德嘉游艇科技开发有限公司,黑龙江 哈尔滨 150040)
0 引言
随着我国经济的快速发展，国民收入与消费水平逐渐提高，游艇消费作为休闲产业的高端市场，日益显现出广阔的发展前景。游艇在航行过程中与水下的礁石等障碍物发生碰撞属于常见事故。游艇碰撞会造成人员伤亡、财产损失、自然环境遭受污染等灾难性事故的发生[1]。游艇的抗撞击性能是保障其安全航行的重要指标，单纯依靠艇体结构自身强度很难满足其抗撞击能力。防止游艇碰撞事故发生的措施主要有两种：主动措施和被动措施。主动措施目的是降低事故发生的概率，主要通过研制开发导航系统、培训船员的操作技能以及对航运交通进行治理等方法。被动措施目的是降低事故发生后艇体结构的破损程度，主要通过对传统结构形式进行优化设计和采用耐撞结构形式等方法[2]。本文采用有限元方法针对某小型游艇开展耐撞性能研究，将闭孔泡沫铝作为一种耗能缓冲材料引入游艇防碰撞领域，通过在游艇易撞部位增设泡沫铝防撞层的被动措施来增强艇体的抗撞击性能，从而达到保护艇体的目的。
1 游艇有限元计算分析
1.1 建立游艇有限元模型
以某小型玻璃钢结构游艇作为研究对象，采用三维建模软件SOLIDWORKS建立游艇几何模型，然后将几何模型导入有限元分析软件ABAQUS中，进行结构网格划分，建立三维有限元计算模型，游艇整体有限元模型如图1所示。游艇长度为6 m，模型共划分为12 166个单元，包含6 621个节点。由于游艇结构的厚度远小于主尺度，所以游艇有限元模型采用ABAQUS中的壳单元S3R来模拟。考虑到计算效率以及收敛性的要求，建立有限元模型时对游艇上一些非主要构件进行了简化处理。
1.2 玻璃钢材料参数及破坏准则
游艇的建造材料为玻璃钢，玻璃钢材料具有各向异性的力学特点，在有限元建模软件中合理有效地模拟玻璃钢材料需要掌握各向异性材料的基本力学性能[3]。根据玻璃钢平面应力假设推导出E1，E2，μ12，G12四个工程弹性常数作为玻璃钢面板结构力学计算时的依据，如表1所示。E1，E2分别为材料在1，2主轴方向的弹性模量，μ12为泊松比，G12为1-2平面内的剪切弹性模量。
玻璃钢板的破坏准则使用ABAQUS中自带的HASHIN准则，HASHIN准则主要用来模拟复合材料的失效模式，该准则考虑了横向应力、纵向应力与剪切应力之间的耦合效应。表2为玻璃钢板强度。
表1 玻璃钢板工程弹性常数
表2 玻璃钢板强度
1.3 施加脉冲荷载
根据调查统计游艇的前下方部位与水中礁石等障碍物发生碰撞的频率较高，因此选取游艇前下方一定区域面积作为加载区域，通过施加脉冲载荷模拟游艇与障碍物之间的碰撞过程。艇体施加脉冲荷载如图2所示。加载区域面积为653 423 mm2，施加130 kN的脉冲力载荷，荷载作用时间为0.5 s，在0 s处荷载大小为0 kN，在0.25 s处荷载达到峰值130 kN，在0.5 s处荷载大小为0 kN。脉冲载荷曲线如图3所示。
1.4 计算结果分析
图4和图5分别为施加脉冲载荷后艇体的应力云图和变形云图。从图4和图5中可以看出，在碰撞区域附近艇体的应力和变形较大，最大拉应力为70.04 MPa，最大压应力为95.21 MPa，最大变形量12.94 mm。
2 游艇耐撞性研究
2.1 闭孔泡沫铝材料吸能特性
闭孔泡沫铝具有轻质、高比强度、耗能缓冲性能强等特点，是一种较好的抗冲击防护材料。目前，闭孔泡沫铝作为冲击能量吸收材料，主要应用在汽车防冲档、机械装置的保护外壳、升降机的安全垫、飞机外壳夹层等方面[4]。本文将闭孔泡沫铝作为一种耗能材料引入游艇防撞领域。图6为闭孔泡沫铝压缩特性曲线。从图6中可以看出，闭孔泡沫铝的压缩过程经历三个阶段：弹性阶段、屈服平台阶段、致密阶段。在屈服平台阶段，闭孔泡沫铝材料的应力大小基本保持不变，应变值却增长较快，较长的屈服平台阶段的出现也反映了闭孔泡沫铝材料具有很好的吸能特性。
2.2 闭孔泡沫铝材料本构模型及破坏准则
泡沫铝密度ρ=540 kg/m3，弹性模量E=1 200 MPa。在冲击荷载作用下，泡沫铝的横向几乎不变形，因此弹性泊松比μ=0。泡沫铝的塑性本构使用可压缩泡沫(crushable foam)模型(该模型基于各项强化本构模型，即DF模型)，压缩屈服应力比α设为1.732，塑性泊松比设为0。因泡沫铝材料在冲击时的塑性响应与单轴压缩时的响应基本相同，故塑性强化部分输入泡沫铝材料在准静态单轴压缩实验时的塑性硬化数据，如表3所示。
泡沫铝材料在冲击荷载作用下会发生破坏，弹塑性本构模型均不能模拟材料的损伤破坏过程，因此需要定义材料的破坏准则。泡沫铝属于多孔金属材料，有限元分析软件ABAQUS中提供了多种用于模拟金属材料的损伤模型，如Johnson-Cook Damage,Shear Damage和Ductile Damage等损伤破坏准则。本文采用的是Ductile Damage损伤破坏准则来描述塑性金属材料的延性断裂，如表4所示。
2.3 安装泡沫铝防撞层游艇的数值分析
图7为安装泡沫铝防撞层游艇的有限元模型。图8～图10分别为安装不同厚度泡沫铝防撞层游艇的应力云图和变形云图。表5为安装不同厚度泡沫铝防撞层游艇的应力和变形。从图8～图10和表5中可以看出，安装泡沫铝防撞层后艇体的应力和变形明显减小，并且随着泡沫铝防撞层厚度的增加，艇体的应力和变形出现逐渐减小的趋势。安装10 mm,20 mm,30 mm厚度的泡沫铝防撞层与未安装防撞层相比较，艇体的最大拉应力分别减少了45%,55.68%,65.69%，最大压应力分别减少了30.16%,48.68%,59.71%，最大变形分别减少了38.87%,62.67%,74.69%。由此可见，泡沫铝防撞层能够达到耗能缓冲和抵抗冲击荷载的目的，有效地降低了艇体结构的受力和变形。
表3 泡沫铝的塑性硬化参数
表4 泡沫铝损伤参数
参数防撞层厚度10 mm防撞层厚度20 mm防撞层厚度30 mm最大拉应力/MPa38.5231.0424.03最大压应力/MPa66.4948.8638.36最大变形/mm7.914.833.275
对表5中的数据进行回归分析发现，最大拉应力σ拉、最大压应力σ压、最大变形U与泡沫铝防撞层厚度H之间的关系可以分别拟合为关系式(1)～式(3)。根据式(1)～式(3)可以看出，游艇所受到的最大拉应力随着泡沫铝防撞层厚度的增加呈线性减小趋势，游艇所受到的最大压应力、最大变形随着泡沫铝防撞层厚度的增加呈对数关系减小趋势。
σ拉=45.687-0.725H(相关系数R2=1.000)
(1)
σ压=125.434-25.587lnH(相关系数R2=1.000)
(2)
U=17.643-4.243lnH(相关系数R2=0.999)
(3)
3 结语
将泡沫铝作为一种耗能缓冲材料引入小型游艇防碰撞冲击领域，建立了游艇整体有限元计算模型，并对游艇碰撞的动力响应进行计算分析，研究结果表明：安装泡沫铝防撞层可以有效地降低艇体结构的应力和变形，在一定程度上改善了游艇的抗撞击性能，提高了游艇的安全性。
