聚脲涂層對舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗撞性能的影響

徐 張, 卞辰慧, 喬繼潘

(1.中國船級社 上海分社， 上海 200135； 2.海鷹企業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 江蘇 無錫 214061；3.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所， 上海 200135)

隨著航運(yùn)業(yè)的迅猛發(fā)展，船舶噸位、船舶航速以及船舶數(shù)量都有大幅提高，海上航線變得越來越擁擠，受天氣和人為等因素的影響，使船舶碰撞海損事故發(fā)生的概率也隨之增大，所以船體結(jié)構(gòu)的抗撞防護(hù)性研究成為世界各國研究的焦點(diǎn)。增強(qiáng)船體結(jié)構(gòu)的抗撞防護(hù)性能主要從提出各種抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工況和開發(fā)應(yīng)用具有沖擊防護(hù)特性的防護(hù)結(jié)構(gòu)材料2方面著手。優(yōu)化傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)新型耐撞結(jié)構(gòu)的方法固然可提高結(jié)構(gòu)的抗撞性，但同時(shí)也帶來其他問題，如增加船舶重量，制造過程繁瑣和成本增加等，僅靠這些方法效果是有限的。因此，采用輕量化防護(hù)材料來提高結(jié)構(gòu)的抗撞防護(hù)性能成為當(dāng)前研究的熱門技術(shù)。

聚脲材料是通過在異氰酸酯組分(簡稱A組分)和氨基化合物(簡稱B組分)相互反應(yīng)后形成的高性能防護(hù)噴涂材料。其不僅具有較高的抗沖擊性、柔韌性、防水防漏性、耐磨性、耐老化和熱穩(wěn)定性，還具備其他材料不具備的高強(qiáng)度、低彈性模量以及高伸長率等杰出的特性，這些特性有助于提高聚脲彈性體的防撞抗沖擊性能。[1-3]SARVA等[4]和YI等[5]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)蛻?yīng)變率加載到高應(yīng)變率時(shí)，聚脲材料則從橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠じ飸B(tài)。GRUJICIC等[6]在研究聚脲涂層對鋁板的抗侵徹能力時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度由低升高時(shí)，聚脲材料的力學(xué)行為則由橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)。海洋化工研究院將其開發(fā)的SPUA-601噴涂于沈陽和青島的碼頭護(hù)舷上，表現(xiàn)出優(yōu)良的防撞性能。美國護(hù)衛(wèi)艦安德伍德號美人架(尾軸托架)的剮體結(jié)構(gòu)表面上噴涂聚脲涂層來防止海水腐蝕。[7]許多工程案例都驗(yàn)證了聚脲涂層對增強(qiáng)結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的應(yīng)用價(jià)值。

鑒于學(xué)者將聚脲材料多應(yīng)用于提高抗爆性能和抗侵徹性能，而針對碰撞荷載的研究工作卻非常鮮見。因此，本文針對提高舷側(cè)結(jié)構(gòu)的抗碰撞性能，通過數(shù)值模擬的方法，開展有、無聚脲涂層模型板架和實(shí)船在碰撞沖擊荷載下的動態(tài)響應(yīng)研究,對進(jìn)一步研究聚脲材料防護(hù)效應(yīng)具有重要的意義，同時(shí),為聚脲涂層的深入研究提供基礎(chǔ)和支持。

1 板架數(shù)值仿真計(jì)算

1.1 有限元計(jì)算模型

板架以某型艦船中段舷側(cè)結(jié)構(gòu)為依據(jù)實(shí)尺度建立有限元模型，見圖1～圖4。材料采用高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼DH36，舷側(cè)外板尺寸為1 060 mm×1 060 mm×5 mm，其中4邊都預(yù)留30 mm用來焊接固定，參與撞擊的有效區(qū)域?yàn)? 000 mm×1 000 mm，4根角鋼縱向排列，間距為300 mm，尺寸為80 mm×50 mm×4 mm，2根T型材橫向排列，間距為800 mm，腹板尺寸為6 mm×200 mm，面板尺寸為8 mm×80 mm。噴涂聚脲涂層厚度為5 mm(板架背面及加強(qiáng)筋)。c75 mm的球形撞頭，其后面延長段長度為250 mm，材料為GCr15(高碳鉻軸承鋼)，撞頭質(zhì)量為1 350 kg。

圖1 板架整體模型(無涂層)

圖2 加強(qiáng)筋模型(無涂層)

圖3 板架整體模型(有涂層)

圖4 加強(qiáng)筋模型(有涂層)

1.2 材料模型和參數(shù)

對于船舶碰撞問題研究的通常都是高能碰撞情況，材料會經(jīng)過彈性階段進(jìn)入塑性流動階段，因此，采用應(yīng)變率相關(guān)的Cowper-Symbols本構(gòu)方程，其與屈服應(yīng)力的關(guān)系見式(1)，鋼材具體材料參數(shù)為:密度7 850 kg/m3;彈性模量210 GPa;泊松比0.30;屈服應(yīng)力355 MP;最大失效應(yīng)變0.23;Cowper-Symbols模型中參數(shù)D取40，P取5。

(1)

根據(jù)聚脲的力學(xué)性能,選擇合適的模型來模擬聚脲的力學(xué)性能,需符合以下幾個(gè)方面[8]：

1)模型需要適當(dāng)?shù)那?zhǔn)則來模擬聚脲材料的斷裂問題。

2)模型必須含有彈性和塑性階段來模擬聚脲的變形過程。

3)由于在碰撞環(huán)境中，模型必須考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)。

在MSC.Dytran材料庫中，本文選用分段線性塑性材料DYMAT24模型來模擬聚脲彈性體的力學(xué)性能，采用Cowper-Symbols模型計(jì)及材料應(yīng)變率敏感性的影響。聚脲材料參數(shù)為：密度1 020 kg/m3;彈性模量0.23 GPa;泊松比0.4;屈服應(yīng)力14 MPa;撞頭選用剛體材料本構(gòu)模型。

1.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件

為既節(jié)省時(shí)間又能在基本保持計(jì)算精度的前提下，舷側(cè)板架模型使用四節(jié)點(diǎn)縮減積分板殼單元，選取全局尺寸為10 mm網(wǎng)格進(jìn)行分析計(jì)算。由于在實(shí)船碰撞中板架四周有其余板塊連接提供約束，所以約束條件根據(jù)在實(shí)際情況下落錘試驗(yàn)為依據(jù)來設(shè)定，邊界采用四周剛性固定。計(jì)算中考慮到撞頭與板架之間的摩擦作用，選取摩擦系數(shù)為0.3。

1.4 仿真計(jì)算工況

為更加全面地涵蓋各種情況來研究涂覆情況對舷側(cè)板架抗撞性能的影響，通過改變初始撞擊速度，用以模擬試驗(yàn)中撞頭從不同高度處自由落下到達(dá)板架時(shí)的沖擊速度，從而找到致使板架破裂的臨界高度，選取距臨界高度差為±300 mm的撞頭初始下落高度設(shè)置仿真計(jì)算和試驗(yàn)工況，仿真計(jì)算工況匯總見表1。取板架的最弱位置為撞擊點(diǎn)，即撞頭撞擊在板架板格中央上,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室落錘最大高度和結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度，設(shè)定落錘高度為2.0～2.3 m，并由此確定撞擊速度。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 碰撞力

有限元計(jì)算得到的有、無聚脲涂層板架碰撞力-時(shí)間歷程曲線圖見圖5。由圖5可知：在撞擊過程中，落錘與板架結(jié)構(gòu)的接觸面積逐漸增加，使碰撞力呈現(xiàn)上升的趨勢；而碰撞接觸的同時(shí)也會伴隨著局部結(jié)構(gòu)單元的失效，使碰撞力出現(xiàn)突然卸載的情況。最大碰撞力分別為245.66 kN、219.70 kN、294.45 kN、254.46 kN、390.01 kN和309.92 kN。由圖5可知：有聚脲涂層板架峰值碰撞力大于無聚脲涂層板架，這表明在相同的撞擊速度下，有聚脲涂層板架可承受更大的作用力。

表1 仿真計(jì)算工況匯總

a)工況1

b)工況2

c)工況3

d)工況4

2.2 應(yīng)力分布與損傷變形

非線性動態(tài)響應(yīng)分析程序MSC.Dytran計(jì)算得到的有、無聚脲涂層舷側(cè)板架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和損傷變形情況分別見圖6～圖9。由圖6～圖9可知：對比工況1和工況2，舷側(cè)板架結(jié)構(gòu)均發(fā)生一定的變形,但都沒有破損，其中無涂層骨材變形較為明顯，變形模式主要為膜拉伸變形，且損傷變形區(qū)域基本對稱。對比工況3和工況4，有聚脲涂層板架未破損，在碰撞過程中的變形幅度及其應(yīng)力相對較小，板架的變形模式主要為膜拉伸變形；而無涂層板架則發(fā)生破損，破口大小和形狀與撞頭基本一致。無聚脲涂層板架由于撞頭直接穿透，舷側(cè)外板與撞頭接觸處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象并最終由中間向四周發(fā)生撕裂，雖然靠近破口處的骨材未破損，但出現(xiàn)較輕的側(cè)向彎曲變形。

a)板架正面

b)板架背面

a)板架正面

b)板架背面

a)板架正面

b)板架背面

a)板架正面

b)板架背面

由圖6～圖9可知：由于聚脲材料具有很好的韌性和抗沖擊性能，因此聚脲涂層的存在可加強(qiáng)板架的抗沖擊能力。

3 聚脲涂層對實(shí)船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的抗撞性能數(shù)值仿真分析

3.1 某型艦船主要參數(shù)介紹

某型艦船主要參數(shù)包括：船舶總長約70 m，設(shè)計(jì)水線長64.50 m，型寬8.70 m，型深5.00 m，梁拱0.15 m。選取該船中段為被撞擊區(qū)域，并噴涂5 mm的聚脲涂層于撞擊側(cè)外板內(nèi)側(cè)。有限元模型見圖10～圖12。撞擊船與被撞擊船均選取某型艦船的全船有限元模型，其中撞擊區(qū)域所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均真實(shí)模擬，其他區(qū)域的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在模型中適當(dāng)應(yīng)予以表達(dá)。

圖10 舯部結(jié)構(gòu)圖

圖11 艦船去掉外板后結(jié)構(gòu)圖

圖12 整船有限元模型

3.2 附連水質(zhì)量

采用附連水質(zhì)量法進(jìn)行實(shí)船碰撞仿真，即通過調(diào)整船體外板結(jié)構(gòu)的相當(dāng)密度方法進(jìn)行模擬和施加。其中:在有限元模擬時(shí)撞擊船的附連水質(zhì)量取其總質(zhì)量的0.05倍;而被撞船的附連水質(zhì)量取其總質(zhì)量的0.85倍。

3.3 材料屬性與網(wǎng)格劃分

在數(shù)值模擬中，對模型撞擊區(qū)域采用較為密集的網(wǎng)格，尺寸選取100 mm，但在同一個(gè)有限元模型中，如果網(wǎng)格越小，則單元數(shù)量越多，便會導(dǎo)致在運(yùn)算過程中增加所需的時(shí)間步，從而延長仿真計(jì)算時(shí)間，所以非撞擊區(qū)域的結(jié)構(gòu)采用較粗的網(wǎng)格。

3.4 接觸和摩擦

在碰撞計(jì)算過程中采用主-從接觸和自身接觸。[9]受滑動影響接觸面之間有摩擦力，在有限元計(jì)算中,考慮到撞擊船與被撞船之間的摩擦作用，所有動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)均設(shè)置為0.3。

3.5 碰撞工況

工況中撞擊角度取90°，即撞擊船艏部正向垂直撞擊被撞船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)，這是最危險(xiǎn)的情況。對于相同噸位的船舶來說，艏向區(qū)域結(jié)構(gòu)的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于舷側(cè)結(jié)構(gòu)，因此，損失大部分發(fā)生在被撞艦船的舷側(cè)區(qū)域。撞擊速度設(shè)定為2 m/s和4 m/s且測試均有無聚脲涂層的工況。碰撞工況匯總見表2。90°正向撞擊中段的有限元模型，見圖13。

表2 碰撞工況匯總

圖13 90°正向撞擊中段的有限元模型

3.6 結(jié)果與分析

利用MSC.Dytran非線性有限元軟件對船船碰撞進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，分析被撞船的應(yīng)力分布與損傷變形、碰撞力結(jié)果，計(jì)算時(shí)間為1 s。

3.6.1應(yīng)力分布與損傷變形

在90°撞擊角度及不同速度下碰撞后有、無聚脲涂層船體中段的損傷變形圖見圖14。由圖14可知：碰撞的應(yīng)力分布和損傷變形表現(xiàn)為局部性，即船體中段的較大應(yīng)力和變形范圍基本上集中在撞擊區(qū)域，而沒有直接撞擊的結(jié)構(gòu)變形則很小。對比4種工況可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)撞擊船艏向直接撞擊被撞船中部區(qū)域時(shí)，當(dāng)撞擊速度增大時(shí)，被撞船的變形范圍也會隨之增大。由圖14可知：當(dāng)撞擊船艏向直接撞擊被撞船中部區(qū)域后，被撞船的舷側(cè)外板、舷側(cè)縱骨、舷側(cè)肋骨、甲板和橫艙壁等均產(chǎn)生或多或少的變形，但從圖14明顯發(fā)現(xiàn)工況1和工況3的整體變形范圍和程度相對更小。

3.6.2碰撞力

在90°撞擊角度和不同速度下碰撞時(shí)有、無聚脲涂層船體中段的碰撞力-時(shí)間歷程曲線見圖15。由圖15可知：船體結(jié)構(gòu)在整個(gè)碰撞過程中,均會出現(xiàn)多次卸載的現(xiàn)象，說明碰撞力-時(shí)間歷程曲線具有很強(qiáng)的非線性特征。碰撞力既是撞擊船的沖擊力，同時(shí)也是被撞船的抗撞力。但是其整體的變化趨勢主要還是由被撞船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)和損傷變形決定的。其中碰撞角度為90°時(shí)各工況下最大碰撞力值見表3。由表3可知：有涂聚脲層船體中段的最大碰撞力峰值更大，提升約4%和12%，這是由于聚脲涂層具有較好的韌性和抗沖擊能力，使聚脲涂覆船體結(jié)構(gòu)抗撞防護(hù)能力加強(qiáng)。

a)工況1(有涂層2 m/s)整體

b)工況1(有涂層2 m/s)骨材

c)工況2(無涂層2 m/s)整體

d)工況2(無涂層2 m/s)骨材

e)工況3(有涂層4 m/s)整體

f)工況3(有涂層4 m/s)骨材

g)工況4(無涂層4 m/s)整體

h)工況4(無涂層4 m/s)骨材

a)2 m/s速度撞擊有涂層

b)2 m/s速度撞擊無涂層

c)4 m/s速度撞擊有涂層

d)4 m/s速度撞擊無涂層

表3 碰撞角度為90°時(shí)各工況下最大碰撞力值

4 結(jié)束語

4.1 模型板架結(jié)構(gòu)

高韌性聚脲涂層能夠有效減小舷側(cè)板架的損傷變形程度。在相同撞擊位置和相同落錘高度下，當(dāng)落錘高度未達(dá)到臨界高度時(shí)，板架均未發(fā)生破損，且有聚脲涂層板架的塑性變形顯著小于無聚脲涂層板架；當(dāng)落錘高度為臨界高度時(shí)，在相同撞擊位置和相同落錘高度下，無聚脲涂層板架產(chǎn)生破口，而有聚脲涂層板架未發(fā)生破裂。

4.2 對于實(shí)船船體結(jié)構(gòu)

1)聚脲彈性體因其較好的伸長率和柔韌性能夠有效減小實(shí)船結(jié)構(gòu)的變形量。在相同撞擊工況下，有聚脲涂層船體中段的整體變形范圍和程度較無聚脲涂層相對更小。由此可見，在船舶受到強(qiáng)烈沖擊而即將發(fā)生破損的臨界時(shí)刻，聚脲涂層能夠較好地保證船體的完整性和水密性，提高艦船的生命力。

2)當(dāng)聚脲彈性體噴涂于舷側(cè)外板背面時(shí)，使船體結(jié)構(gòu)的抗撞防護(hù)性也能得到顯著加強(qiáng)。對比船體中段的最大碰撞力發(fā)現(xiàn)，有聚脲涂層船體結(jié)構(gòu)的最大碰撞力提升約10%，說明有聚脲涂層船體結(jié)構(gòu)能夠承受更大的撞擊力。