摘 要

现今水上运输业高速发展，船舶碰撞事故时有发生，而这往往会造成巨大的经济损失、环境污染和人员伤亡，所以进行船舶防撞性能优化方面的研究十分有必要。除了增强船体结构本身的耐撞性以外，在其外侧设置夹层板结构也是一种极为有效的措施。夹层板结构具有质量轻、成本低、易加工等优点，十分适合应用于实际工程项目中。而夹层板的内部结构形式、尺寸、是否填充PVC泡沫等都对其耐撞性有很大的影响。因此，本文将以圆筒/波纹/蜂窝夹层结构为研究对象，运用有限元方法比对其耐撞性，并择其优者进行进一步的优化分析。

首先运用ANSYS软件建立三种夹层结构的模型，通过LS-DYNA仿真研究，得到各夹层结构的内能、冲击力峰值、最大变形位移等数据，并对它们进行对比分析，得出波纹夹层结构具有最佳的耐撞性。然后通过正交试验设计法，得到18组不同尺寸的波纹夹层结构的数据和结果，运用响应面代理模法和遗传算法算出在一定范围内的最佳尺寸，并以该尺寸建立模型仿真研究，之后与原模型比对，结果显示优化后的尺寸具有更佳的耐撞性。最后对该尺寸下的波纹夹层结构进行多种填充形式的比对研究，通过有限元软件得出结果，并分析讨论了波纹夹层结构不同填充形式时的适用范围。

关键字：船舶碰撞；有限元分析；夹层结构；泡沫填充；耐撞性；

Abstract

Nowadays, with the rapid development of the water transport industry, ship collision accidents often occur, which often cause huge economic losses, environmental pollution and casualties. In addition to enhancing the crashworthiness of the hull structure itself, it is also an extremely effective measure to install sandwich plate structure on the outside of the hull structure. Sandwich plate structure has the advantages of light weight, low cost and easy machining, which is very suitable for practical engineering projects. The internal structure, size and whether the sandwich board is filled with PVC foam have a great impact on its crash-resistance. Therefore, this paper will take the cylinder/corrugated/honeycomb sandwich structure as the research object, and use the finite element method to compare its crater-resistance, and choose the best for further optimization analysis.

First of all, ANSYS software was used to establish three models of sandwich structure. Through ls-dyna simulation research, the internal energy, impact peak value, maximum deformation displacement and other data of each sandwich structure were obtained. Through comparative analysis of them, it was concluded that the corrugated sandwich structure had the best impact resistance. Is obtained by orthogonal experiment design method, and then 18 sets of different sizes of corrugated sandwich structure data and results, using the response surface acting mode method and genetic algorithm to calculate the best size within a certain range, with the size and model simulation, and the original model after comparing, the results show that the optimized size has better crashworthiness. Finally, a comparative study on the different filling forms of corrugated sandwich structures with the same size is carried out, and the results are obtained by using the finite element software, and the applicable scope of corrugated sandwich structures with different filling forms is analyzed and discussed.

Keywords: Ship collision; Finite element analysis; Sandwich structure; Foam filling; Crashworthiness;

目录

摘要 1

目录 3

第一章 绪论 5

1.1 研究目的及意义 5

1.2 国内外研究现状 8

1.2.1 泡沫填充夹层结构研究现状 8

1.2.2 蜂窝夹层结构研究现状 9

1.2.3 波纹夹层结构研究现状 11

1.3 本文主要研究内容 12

第二章 夹层结构形式耐撞性对比 13

2.1引言 13

2.2夹层板结构碰撞研究 14

2.2.1有限元模型 14

2.2.2边界条件与接触设置 15

2.2.3载荷情况 15

2.2.4材料模型 15

2.3仿真结果比较及分析 16

2.3.1能量-时间曲线 16

2.3.2冲击力-时间曲线 19

2.3.3结构变形 20

2.3.4对比各结构耐撞性 22

2.4 本章小结 23

第三章 夹层结构的尺寸优化设计 24

3.1引言 24

3.2夹层结构尺寸优化设计 25

3.2.1试验设计 25

3.2.2有限元仿真采集数据 27

3.2.3响应面代理模型 28

3.2.4优化结果分析 29

3.4 本章小结 32

第四章 最佳尺寸下波纹夹层结构的填充形式分析 32

4.1 引言 32

4.2各填充形式夹层结构碰撞研究 32

4.2.1有限元模型 32

4.2.2材料模型 33

4.3各填充形式仿真结果比较及分析 34

4.3.1能量-时间曲线 34

4.3.2冲击力-时间曲线 35

4.3.3结构变形 36

4.3.4对比各填充形式波纹夹层结构耐撞性 37

4.4本章小结 38

第五章 结论 39

第一章 绪论

• 1. 研究目的及意义

随着工业的发展和社会的进步，水上交通运输事业也随之蓬勃发展，船舶已成为人员和货物运输的重要方式，船舶每年的货物运输量占世界货运量的80%以上。经济发展的要求促使船舶数量、吨位急速增长，同时船舶的航行速度加快，船舶的种类也日益多样化。与此同时，船舶碰撞事故也日益突出。统计资料显示，在上世纪六十年代至九十年代的三十多年中，全世界因受到船舶撞击而导致损坏、垮塌的大型桥梁达29座，事故中造成直接死亡的人数达到了300多人。而在我国，船舶间的碰撞与船舶撞击桥梁的事故也时有发生，近年来仅发生在我国长江、珠江、黑龙江三大水系干线上的船撞桥事故就达300多起，表1-1列举了近年的船舶碰撞事故。这些严重的船舶碰撞事故，不仅会造成巨大的经济损失和人员伤亡，还会造成水上交通线路阻碍和环境破坏。

表1-1 近年的船舶碰撞事故

船舶间的碰撞或对海洋结构物、桥梁的撞击，多为灾难性事故，会造成巨大的生命财产损失和严重的环境破坏。而导致事故发生的原因有很多，船员操作、设备技术、航道天气等诸多因素，都可能造成突发性的船舶事故。提高船员技术水平，引入更先进的航行设备，制定更详细规范的规则标准虽然可以大大减少船舶碰撞事故发生的概率，但也无法完全避免此类事件。为了减少船舶碰撞事故造成的船体、桥梁、海洋结构物的损伤，降低事故带来的生命财产损失，进行耐撞性优化研究尤为重要。

在船舶碰撞事故中，船舶间碰撞最危险极端的情况为撞击船船艏高速撞击被撞船舷侧。由于一般而言，船舶的总体纵向刚度明显大于船舶总体横向刚度，被撞船一定会因撞击而产生横向位移，此时被撞船的舷侧结构会产生较大的形变以吸收撞击船所传递来的动能，当此动能过大时，舷侧结构甚至会完全破坏。船舶与其他海洋结构物、桥梁的碰撞中，一般而言，被撞物体的刚度相对于船舶更大，若船舶的耐撞性不佳，则易造成自身破损，沉没。被撞结构物遭受频繁撞击也易使内部结构损坏，最终导致坍塌。

在耐撞性优化研究中，除了增强船舶自身舷侧结构的耐撞性以外，在结构外部设置防撞装置也是一种极为有效的措施。安装防撞装置可以避免船舶间，或船舶与海洋结构物之间的直接碰撞，防撞结构自身的塑性变形可以吸收极大的船舶撞击动能，较小船舶的撞击力。因此，国内外学者在防撞结构上进行了大量研究，在传统的加筋板或者均质板的基础上，进而研发出了质量轻、成本低、防撞性效果好的夹层板结构，图1-1列举了部分常见的夹层板结构。时至今日，夹层结构在航天航空、道路桥梁、船舶与海洋工程等各方面都发挥着重要的作用。

图1-1 常见夹层结构

夹层板的结构形式主要可以分为泡沫填充夹层结构、蜂窝夹层结构、点桁架夹层结构和波纹夹层结构。本文主要从夹层结构的布局形式和尺寸方面着手，通过ANSYS/LS-DYNA软件，建立有限元模型，分析比较不同吸能元件和耐撞防护功能模块的耐撞防护性能，通过夹层结构变形及吸能特点，对夹层结构布局、尺寸进行优化设计，以期为提高船舶性能的研究提供部分数据参考。

• 1. 国内外研究现状

与船舶碰撞耐撞性相关的开创性研究，最早的是美国学者Minorsky^[1]，当时主要是为了配合核动力船的研制，对其舷侧耐撞性的研究，他于1959年在《Journal of Ship Research》上发表的研究论文，开创了统计分析方法。Minorsky将船舶碰撞问题一分为二地看待，将其列为动能损失和结构体积损伤两个部分，其中动能损失部分综合运用动量守恒定律和能量守恒定律，用完全非弹性碰撞理论来求解；其结构体积的损伤情况则用抗力因子进行计算，最后运用统计分析法将他们联系在一起。

国内钟志华^[2]等人于1994年以有限元方法对汽车的耐撞性进行研究，并在其研究报告中详细介绍说明了该方法的基本方程、材料接触问题、以及运用有限分差法研究的过程，为之后的研究者在运用有限仿真技术进行耐撞性研究提供了全新的思路。

• • 1. 泡沫填充夹层结构研究现状

对于泡沫填充材料夹层结构，国外的Vaziri和Hutchinson^[3]对PVC泡沫填充方形蜂窝夹层结构和三角形波纹夹层结构在横向冲击载荷和准静态压缩载荷作用下的力学特性进行了研究，计算比较得出泡沫填充夹层结构的吸能变形能力和不进行填充的夹层结构相当，但填充泡沫后，其隔热性和减震性大大提升。

Zarei和Kroger^[4]利用实验和仿真方法，通过计算其所能吸收的最大能量与比吸能，得出泡沫密度越大，结构所能承受的冲击载荷越大，且当泡沫密度超过临界值时，其轻质优势变化消失，深入研究分析了泡沫填充管状结构在轴向冲击载荷作用下的耐撞性能。

Theobald和Nunck^[5]采用两种泡沫材料作为夹芯层填充，通过实验验证了该结构的抗冲击吸能能力，并得出夹层厚度与结构变形程度的关系，同时还研究了受到水下冲击载荷的作用时，PVC泡沫填充夹层结构的夹层厚度与能量吸收之间的关系。

Hanssen^[6]则运用LS-DYNA软件，建模分析了飞鸟高速冲击作用时，PVC泡沫填充夹芯层的局部应变和整体变形情况，研究结果得出了一般情况下，为防止飞鸟撞透夹层结构所需夹层结构最小厚度。

Basturk S B和Tanoglu M^[7]则对泡沫铝夹层板在不同爆炸冲击下的动态响应特性进行了研究，深入研究得出了泡沫铝板夹层板材料对应变率敏感的情况。赵金华等人制备了多组不同的试样进行冲击试验，通过高精度仪器和有限元软件进行分析，深入研究了夹芯层厚度、填充的纤维类型与填充结构形式等因素对夹层结构的冲击性能和损伤模式的影响变化规律，其详细的数据为泡沫填充夹层结构耐撞性的研究提供了重要参考依据。

Radford^[8]等对金属泡沫填充夹芯板结构进行了子弹撞击冲击变形实验，他们通过板中心点的变形程度来比较各夹芯板结构的耐撞性，在他们的实验中利用了ABAQUS软件进行仿真研究，形象地展现了金属填充材料的应变率效应和夹芯板结构耐撞性的影响。

Vaucorbeil^[9]等则将研究对象定为PVC泡沫填充夹层版结构，通过大量的仿真研究与试验，深入分析了该夹层板结构在流体冲击作用下的受损类型，在其研究内容中，还验证了Hashin失效准则的适用性，并得出了PVC泡沫填充夹板结构的抗弯曲刚度较普通夹层结构明显增大的结论。

Aronson^[10]等首次运用试验方法，分别将PU1/PU2聚合物、Sprctra编制纤维和金属包裹陶瓷著添加到点阵金属结构中，然后对它们进行抗侵彻能力的研究，结果显示，填充泡沫类聚合物后，其抗侵彻能力显著提高。

Bertin^[11]等对泡沫填充夹层结构进行了冲击载荷下的动态响应研究，他们运用实现和仿真方法，深入研究了多层波纹夹层结构填充泡沫后，在冲击载荷作用下的动态响应，结果发现，通过给夹层结构填充泡沫，仅增加2.3%的重量，其上层面便的变形量便可减小50%，但与此同时，增加面板厚度和整体厚度，会削弱填充泡沫材料的吸能效果。在此之后，Karen在Bertin等的研究基础上，综合运用杂交优化算法，对夹层结构中泡沫的填充方式进行了优化研究。

ZHANG^[12]等对聚合物泡沫填充波纹夹层结构的动力响应模式进行了研究，研究结果表明：对夹层结构加入填充物后，在爆炸载荷下，结构抗断裂抗爆的能力显著提高。

赵金华^[13]等研究了泡沫铝夹层结构的在低速时的抗冲击性能，他们通过对玄武岩纤维、超高分子量聚乙烯纤维两种不同材料，以及同种材料不同厚度的夹芯层进行了研究，实验结果显示：泡沫铝夹芯层的厚度越大，夹层结构受到的冲击载荷就越低，其所吸收的冲击能量则越大。

• • 1. 蜂窝夹层结构研究现状

蜂窝夹层结构最早是由Allen^[14]于1965年提出，并进行全面研究，他所提出的经典理论分析方法，极大程度地促进了蜂窝夹层结构的应用和发展。

Petras^[15]运用此理论分析方法，之后并通过实验，以连续玻纤增强塑料作为夹层板上下面板，以Nomex作为蜂窝夹层的芯结构，发现了蜂窝夹芯结构的失效区域与夹层板厚度和跨距比的关系。

Meifeng He和Wenbin Hu^[16]也在此前研究蜂窝芯的重量比的前提下，提出了一个全新的理论模型，并发现当蜂窝芯的重量比在50%到66.7%之间时，可以获得最大的抗撞性能力。

Jianfeng Wang^[17]等人对碳纤维夹层板、铝蜂窝夹层板的抗弯性能进行了研究，发现改变夹层板的厚度或材料，其吸能效果都会有所改变，厚度越大，材料密度越大，其力学性能越好。

Xu^[18]等人以气体绝热压缩过程实验为基础，对横向动态压缩时，铝蜂窝板的蜂窝夹芯层内气体压力变化情况进行了研究，结果表明，蜂窝结构的整体压溃强度和缓冲吸能作用都受到夹芯层内气体压力的较大影响。

Crupi^[19]等将球形、圆锥形、圆台型三种碰撞体分别以不同的速度对铝蜂窝板进行冲击，通过研究其变形与吸能情况，得出了蜂窝结构的吸能过程。

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