1船体结构碰撞冲击损伤机理

目前，关于事故载荷下结构的安全性问题已得到船级社及相关设计单位的关注，建立基于评估船体结构抵抗事故载荷（包括碰撞、搁浅、油气爆炸等）能力的相关规范势在必行[27]，而准确预报船体结构在遭受事故载荷后的损伤特性是制定相关规范的基础。95145

许多国内外学者针对缩尺的船体结构单元在冲击载荷作用下的损伤机理开展研究，通过试验、数值仿真及理论解析等方法研究它们在冲击载荷下损伤变形机理，并通过试验与仿真验证理论分析的准确性。

如船体中的板结构，在不同的碰撞/搁浅场景下发生的损伤变形特点模式不同，主要包括受压拉伸、穿透、撕裂等。对于板的受压拉伸变形，Wang[28]将船体中的板结构简化为固支圆板，将球鼻艏分别简化为点载荷和刚性球头，研究板在横向载荷作用下结构的损伤变形。研究发现，刚性球半径参数对于结构抗力影响较大，且尖瘦型的球鼻不适宜简化为刚性球头。Thomas和Wierzbicki[29]针对板结构在搁浅场景中的撕裂问题开展了系列钢板切割试验，图1-3为平板受到撞击物切割破坏后的形状。基于试验的观察，很多学者进一步发现板结构的撕裂涉及断裂、摩擦、弯曲和膜拉伸变形等变形模式，应用解析较为复杂。为了简化，一般将平板的撕裂分为初始状态和稳定状态。研究发现，平板在发生撕裂的初期，结构抗力随着撞深的增大而增大，若礁石最大宽度一定，则撞深达到一定值时变形抗力将趋于一个常数基于船体结构单元在冲击载荷作用下的损伤机理，通过结合各个结构单元的损伤机理，可以预报整个舷侧或底部结构的损伤变形。

Haris和Amdahl[31]将球鼻首简化为椭圆形抛物面，分别研究尖锐型球首和肥大型球首撞击舷侧结构的损伤变形，并通过有限元仿真软件模拟碰撞场景来验证分析结果。高振国[32]基于FPSO舷侧结构受刚性球鼻艏撞击的场景，提出了FPSO舷侧结构抗撞性的解析计算方法，理论解析的结果通过数值仿真进行验证，其计算准确度较好。基于仿真的观察及船体结构耐撞性理论，Sunbin[33]等研究了楔型球首撞击船体舷侧结构的损伤变形（如图1-5所示）。其中，桁材的损伤变形考虑褶皱和撕裂两种模式，解析预报的结果与仿真吻合较好，能够较好应用于双壳船结构设计阶段的耐撞性评估。

船体桁材作为船体结构中的主要构件，其损伤变形机理的研究对于准确预报船体结构在冲击载荷下的损伤特性至关重要。本文重点研究桁材在破裂前结构的损伤变形特点，在已有文献的基础上进一步完善桁材理论解析预报的准确性，为设计初期快速评估船体结构的耐撞性能提供一定的指导。

2船体桁材结构碰撞冲击模型试验

在碰撞和搁浅问题中，试验方法提供的数据最为准确和可靠。Simonsen和Ocakli[7]1999年在丹麦科技大学开展一系列的桁材试验模型受压模型试验，缩尺比为1:20，简称为DTU试验（如图1-6所示）。试验研究了桁材模型在不同加载位置、不同边界条件的损伤变形，为后续桁材褶皱变形损伤机理的研究奠定了一定基础。

1991-1997年间，日本ASIS协会和荷兰开展一系列实船碰撞试验及大尺度比的模型试验研究油船碰撞以防止原油泄露[6]，图1-7为VLCC舷侧结构的静态模型试验，试验的缩尺比为1:2，，包括甲板、两段横向强肋框及附有的加强筋，撞击位置位于两个强肋框中间甲板板所在平面。

Qvist等[34]1995年针对一艘40000DWT双壳油船的舷侧结构开展一系列撞击试验。试验中，采用2。75t的刚性球头模拟球鼻首，从5米高处下落撞向舷侧结构，撞击速度约20knots。图1-8为其中一组撞击试验，从图中可以看出，舷侧结构产生严重的塑性变形，且底部支撑板产生一定的翘曲变形，且变形程度与刚性球头的形状有关。