论文导读 | 复合材料护舷实船碰撞仿真方法及防护机理

1. 开展了复合材料护舷内层吸能泡沫和外层聚氨酯的压缩与拉伸试验测试，并根据材料力学性能确定数值仿真中的材料模型。

2. 根据实际碰撞情况，建立含不同护舷的船体以一定初速度撞击刚性码头的分析模型，对比分析了橡胶护舷与复合材料护舷的防护机理，并对不同制备形式下复合材料护舷的吸能特性进行分析。

02内容简介

开展装配橡胶和复合材料护舷的船体在靠泊工况下与码头的碰撞动力学仿真计算。首先，选择适当的材料模型参数，计算橡胶护舷吸能特性并与规范进行对比，验证模型的适用性。对于复合材料护舷，根据材料力学性能测试所得数据，选择低密度泡沫模型和超弹性本构模型分别模拟内层吸能泡沫和外层聚氨酯，从而结合几何模型、接触设置及边界条件形成碰撞仿真方法；随后，基于变形与能量转换关系，对船体-护舷-码头的碰撞特性展开具体分析；最后，调整复合材料芯体刚度、船体刚度、外层保护结构厚度及拉伸刚度，对影响护舷防护特性的因素进行分析。结果表明，提出的新型复合材料护舷，较传统橡胶护舷有更大的吸能比，且令船体结构不发生损伤的极限动能更大。

03图文导读

1. 船体-护舷-码头碰撞仿真方法

首先，借助材料性能试验，确定复合材料护舷中两种材料的各项力学性能，作为数值仿真材料模型的参数输入。随后，建立船体-护舷-码头的多体耦合模型，从而开展碰撞特性分析。

图1 护舷示意图

图2 橡胶性能曲线

图3 聚氨酯性能试验与仿真计算结果

图4  船体-护舷-码头撞击示意图

2. 护舷防护机理分析

当船体及护舷结构以一定初始动能逐渐靠近码头并与码头发生接触后，护舷发生压缩变形，系统动能迅速转换为内能（包括护舷的变形能、船体结构的变形能以及摩擦耗散能），并在护舷变形量最大时系统动能被完全转化。其中，动能主要被护舷所吸收，橡胶和复合材料护舷吸收能量分别占系统总能量的81.2%和91.2%。由于护舷变形的可恢复性，在动能被完全转化后，护舷发生回弹，变形能将被释放，再次转换为动能。对于复合材料护舷，内层泡沫吸能占护舷总吸能的76.0%，在靠泊过程中起到主要的防撞作用。

图5 能量变化曲线

通过设置不同的船体初速度，计算安装了橡胶及复合材料护舷的船体结构达到许用应力时的极限动能。可以看出，在船体结构达到许用强度时，复合材料较橡胶护舷的吸能量增大了41.5%，吸能比例增大了7.21%，从而能在碰撞场景相似的情况下，使船体的极限碰撞动能增大了30%，并可有效降低船体总质量。综上，新型复合材料护舷较橡胶护舷有更好的缓冲性能和更小的质量。

表1 装配橡胶护舷和复合材料护舷的船体计算结果

3. 船体与护舷刚度改变对护舷防护特性的影响

保持复合材料护舷外层聚氨酯的材料属性不变，同时调整内层吸能泡沫的拉伸与压缩刚度。在相同碰撞初速度下，对不同刚度的复合材料护舷进行仿真计算。结果表明：随着泡沫刚度的增大，由于护舷单位变形量下吸收的变形能增大，完成船体动能转化时的最大变形量逐渐降低，从74.3%减小到52.6%；泡沫吸能占护舷总吸能比例从72.4%增大到79.4%；碰撞时间也随着变形量的减小从0.48 s降低到0.4 s；平均碰撞力从42.1 kN增大到49.3 kN；但护舷总吸能变化不大。

图6 不同泡沫材料刚度下的碰撞结果

保持护舷的几何参数与材料属性不变，修改护舷连接板厚度，在相同初始动能下完成船体刚度增强后的护舷防护性能计算。结果表明：随着船体刚度的增大，内层泡沫吸能从1.38 kJ增大到1.46 kJ，外层聚氨酯吸能均为0.39 J不变。聚氨酯作为外层保护材料，主要起到限制内层泡沫过度位移的作用，其吸能占比明显小于内层泡沫，因此由船体刚度变化引起的不同吸能差异主要由泡沫吸能体现，聚氨酯吸能未出现明显改变。同时，系统动能转化为船体内能的大小从197 J减小到117 J，船体最大应力从120.6 MPa降低到104.1 MPa。

图7 不同船体板厚度下的碰撞结果

综上所述，对船用护舷防护性能的评估需要考虑被防护结构的具体形式，达到相对刚度的平衡。当船体刚度较小时，护舷刚度应适当减小，从而延长碰撞时间，降低碰撞力和结构响应；当船体刚度较大时，护舷刚度应适当增大，使单位变形量下的吸能增大，加强防护性能。

文章来源：上海交通大学学报