2018S-100-高强钢船体板架落锤冲击试验及数值仿真

算方法提供验证依据。
关键词：船舶碰撞；舷侧板架结构；损伤变形；模型试验；数值仿真
中图分类号：U661.43
文献标志码：A
DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01112
Drop weight impact test and numerical simulation of high-strength steel hull grillage
definitions of the aforementioned parameters require to be calibrated through model tests. In order to fully
simulate the response characteristics of main energy-absorbing members on the side grillage structure of the real ship during the impact test，and make the calibration of the numerical simulation model test effective，［Methods］ a model structure with structural member dimensions close to the real ship and made of high-strength low alloy steel material is used，and a drop weight impact test of side grillage structure is carried out here. Then according to the resulting test records，we analyze the mechanism and mode of damage and deformation of the grillage under impact load，then accordingly conduct the numerical simulation analysis， and compare the finite element simulation results with the model test results. ［Results］The results show that the damage and deformation mode obtained from the numerical simulation is consistent with the model test result，and tearing failure，membrane tensile deformation，frame fracture and instability of shell plate are well simulated，and the impact acceleration curve is in good agreement with the test. ［Conclusions］ The results herein can provide a verification reference for the impact
过试验记录，分析在碰撞冲击载荷作用下结构损伤变形的机理和模式。在此基础上，对碰撞冲击后的舷侧板架
结构损伤变形进行数值仿真分析，并对有限元仿真结果与模型试验结果进行对比。［结果］结果表明：数值仿真
得到的板架结构损伤变形模式与模型试验结果较为一致，较好地模拟了外板的撕裂破坏、膜拉伸变形和骨材断
裂以及失稳；冲击加速度曲线也与试验有较好的一致性。［结论］研究结果可为水面舰船结构碰撞仿真及解析计
定义、接触定义和单元网格尺寸等仿真控制参数的影响，且相关参数定义还需经过模型试验校准。为了充分模
拟实船舷侧板架结构受到碰撞冲击时主要吸能构件的响应特点，使数值仿真模型试验校准充分有效，［方法］采
用 接 近 实 船 的 结 构 构 件 尺 寸 和 高 强 度 低 合 金 钢 材 料 设 计 制 造 模 型 结 构 ，开 展 舷 侧 板 架 结 构 落 锤 冲 击 试 验 。 通
第 13 卷 增刊 1 2018 年 12 月
中国舰船研究 Chi中nese国Journ舰al of船Ship研Res究earch
Vol.13 Supp 1 De第c. 1230卷18
引用格式：彭正梁，杨磊，费宝祥. 高强钢船体板架落锤冲击试验及数值仿真［J］. 中国舰船研究，2018，13（增刊 1）：100-105. PENG Z L，YANG L，FEI B X. Drop weight impact test and numerical simulation of high-strength steel hull gril⁃ lage［J］. Chinese Journal of Ship Research，2018，13（Supp 1）：100-105.
高强钢船体板架落锤冲击试验及数值仿真
彭正梁 1，杨磊 2，费宝祥 3
1 中国舰船研究设计中心，上海 201108 2 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240 3 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003
摘 要：［目的］基于非线性有限元方法的船体结构碰撞数值仿真分析，其计算精度受到材料本构关系与失效
本文板架结构模型设计在反映舰船舷侧板架 结 构 特 点 的 同 时 进 行 了 适 当 简 化 ，如 图 3 所 示 。 该 模 型 设 计 采 用 平 面 板 架 结 构 ，并 在 板 架 结 构 四 周设置了强力边框以模拟板架周围的边界。模型 结 构 采 用 螺 栓 固 定 方 式 固 定 在 试 验 台 上 ，以 限 制 撞击过程中模型结构的整体运动。试验板架的外 形尺寸为 2 000 mm×1 500 mm，外框采用 200 mm× 300 mm×12 mm 的矩形管。平板厚度为 4 mm，两 根 T 型材间距 1 000 mm，尺寸为⊥6 mm×160 mm / 8 mm×60 mm。板架在宽度方向的 5 根骨材采用 4 mm×50 mm 的扁钢，间距为 380 mm，在扁钢两端
1.2 试验模型和冲头设计
在 设 计 撞 击 冲 头 和 被 撞 模 型 板 架 结 构 时 ，需 要 综 合 考 虑 冲 头 形 状 、撞 击 体 质 量 和 模 型 板 架 强
Fig.2
（b）俯视图 图 2 冲击试验冲头尺寸 The dimensions of indenter for impact test
收稿日期：2017 - 12 - 01
网络首发时间：2018-9-25 10:38
作者简介：Leabharlann 正梁（通信作者），男，1986 年生，硕士，工程师。研究方向：船体结构设计。
杨磊，男，1987 年生，博士生。研究方向：船舶碰撞。
增刊 1
彭正梁等：高强钢船体板架落锤冲击试验及数值仿真
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0引言
鉴于舰船碰撞事故多发及造成的损失巨大， 船体结构的碰撞安全性越来越受到船舶设计者的 关 注 。 目 前 ，基 于 非 线 性 有 限 元 技 术 的 数 值 仿 真 方法是研究船体结构耐撞性能的主要手段之一。 由于船体结构受到撞击的过程存在一系列非线性 问题，如材料非线性、几何非线性、接触非线性等， 故数值仿真结构计算的精度仍有待进一步提高。 结 构 碰 撞 试 验 方 法 作 为 一 种 可 靠 的 研 究 手 段 ，仍 然被研究结构耐撞性的学者们所普遍采用。 Wang 等［1］通过采用 5 种不同半径的冲头撞击双壳 体船体试验，模拟了不同的碰撞和触底场景，以研 究双层船体结构损伤变形的模式和能量吸收等内 部 机 理 。 Cho 和 Lee［2］使 用 三 角 形 冲 头 对 33 种 不 同 板 架 进 行 摆 锤 试 验 ，运 用 简 化 分 析 方 法 预 测 板 架 结构的损伤程度，并得到了实验验证。Karlsson 等［3］开 展 了 单 向 拉 伸 试 验 、摩 擦 试 验 、钢 板 冲 击 试 验 及 球 头 冲 击 舷 侧 板 架 试 验 ，在 此 基 础 上 运 用 有 限 元 方 法 进 行 参 数 研 究 ，建 立 了 船 舶 碰 撞 仿 真 有 限元分析流程。鉴于近几年来的碰撞研究工作主 要集中在小尺寸试件上［4-6］，而针对 高 强 度 低 合 金 钢的大尺寸板架结构的试验研究成果较少，因此， 本文将开展大尺寸结构模型的落锤冲击试验。
首 先 ，针 对 舰 船 典 型 单 层 舷 侧 板 架 结 构 受 到 旋 转 体 撞 头 撞 击 的 碰 撞 场 景 ，设 计 并 开 展 板 架 结 构模型的落锤冲击试验。然后，基于试验结果，分 析 在 撞 击 作 用 下 船 体 舷 侧 结 构 的 失 效 模 式 ，并 讨 论 其 在 撞 击 下 的 动 态 响 应 过 程 。 最 后 ，通 过 开 展 相关仿真分析，验证并完善数值仿真分析技术，以 提升船体结构耐撞性设计能力。
simulation and analytical calculation of surface ship structure. Key words：ship impact；side grillage structure；damage and deformation；model test；numerical simulation
电机
吊钩
脱钩器 H0
吊索
配重 冲头 图 1 落锤冲击试验方案示意图 Fig.1 Schematic diagram of droping weight impact test
度。其中，撞击冲头选用抛物面型 ，截 ［1，7-8］ 面外形 的 抛 物 线 方 程 为 z＝0.005（x2+y2），具 体 的 冲 头 外 形及尺寸如图 2 所示，撞击体总质量为 2.11 t。如 无特别说明，本文图中数值单位均为 mm。