1. 開展了復合材料護舷內層吸能泡沫和外層聚氨酯的壓縮與拉伸試驗測試，并根據材料力學性能確定數值仿真中的材料模型。

2. 根據實際碰撞情況，建立含不同護舷的船體以一定初速度撞擊剛性碼頭的分析模型，對比分析了橡膠護舷與復合材料護舷的防護機理，并對不同制備形式下復合材料護舷的吸能特性進行分析。

02內容簡介

開展裝配橡膠和復合材料護舷的船體在靠泊工況下與碼頭的碰撞動力學仿真計算。首先，選擇適當的材料模型參數，計算橡膠護舷吸能特性并與規范進行對比，驗證模型的適用性。對于復合材料護舷，根據材料力學性能測試所得數據，選擇低密度泡沫模型和超彈性本構模型分別模擬內層吸能泡沫和外層聚氨酯，從而結合幾何模型、接觸設置及邊界條件形成碰撞仿真方法；隨后，基于變形與能量轉換關系，對船體-護舷-碼頭的碰撞特性展開具體分析；最后，調整復合材料芯體剛度、船體剛度、外層保護結構厚度及拉伸剛度，對影響護舷防護特性的因素進行分析。結果表明，提出的新型復合材料護舷，較傳統橡膠護舷有更大的吸能比，且令船體結構不發生損傷的極限動能更大。

03圖文導讀

1. 船體-護舷-碼頭碰撞仿真方法

首先，借助材料性能試驗，確定復合材料護舷中兩種材料的各項力學性能，作為數值仿真材料模型的參數輸入。隨后，建立船體-護舷-碼頭的多體耦合模型，從而開展碰撞特性分析。

圖1 護舷示意圖

圖2 橡膠性能曲線

圖3 聚氨酯性能試驗與仿真計算結果

圖4  船體-護舷-碼頭撞擊示意圖

2. 護舷防護機理分析

當船體及護舷結構以一定初始動能逐漸靠近碼頭并與碼頭發生接觸后，護舷發生壓縮變形，系統動能迅速轉換為內能（包括護舷的變形能、船體結構的變形能以及摩擦耗散能），并在護舷變形量最大時系統動能被完全轉化。其中，動能主要被護舷所吸收，橡膠和復合材料護舷吸收能量分別占系統總能量的81.2%和91.2%。由于護舷變形的可恢復性，在動能被完全轉化后，護舷發生回彈，變形能將被釋放，再次轉換為動能。對于復合材料護舷，內層泡沫吸能占護舷總吸能的76.0%，在靠泊過程中起到主要的防撞作用。

圖5 能量變化曲線

通過設置不同的船體初速度，計算安裝了橡膠及復合材料護舷的船體結構達到許用應力時的極限動能。可以看出，在船體結構達到許用強度時，復合材料較橡膠護舷的吸能量增大了41.5%，吸能比例增大了7.21%，從而能在碰撞場景相似的情況下，使船體的極限碰撞動能增大了30%，并可有效降低船體總質量。綜上，新型復合材料護舷較橡膠護舷有更好的緩沖性能和更小的質量。

表1 裝配橡膠護舷和復合材料護舷的船體計算結果

3. 船體與護舷剛度改變對護舷防護特性的影響

保持復合材料護舷外層聚氨酯的材料屬性不變，同時調整內層吸能泡沫的拉伸與壓縮剛度。在相同碰撞初速度下，對不同剛度的復合材料護舷進行仿真計算。結果表明：隨著泡沫剛度的增大，由于護舷單位變形量下吸收的變形能增大，完成船體動能轉化時的最大變形量逐漸降低，從74.3%減小到52.6%；泡沫吸能占護舷總吸能比例從72.4%增大到79.4%；碰撞時間也隨著變形量的減小從0.48 s降低到0.4 s；平均碰撞力從42.1 kN增大到49.3 kN；但護舷總吸能變化不大。

圖6 不同泡沫材料剛度下的碰撞結果

保持護舷的幾何參數與材料屬性不變，修改護舷連接板厚度，在相同初始動能下完成船體剛度增強后的護舷防護性能計算。結果表明：隨著船體剛度的增大，內層泡沫吸能從1.38 kJ增大到1.46 kJ，外層聚氨酯吸能均為0.39 J不變。聚氨酯作為外層保護材料，主要起到限制內層泡沫過度位移的作用，其吸能占比明顯小于內層泡沫，因此由船體剛度變化引起的不同吸能差異主要由泡沫吸能體現，聚氨酯吸能未出現明顯改變。同時，系統動能轉化為船體內能的大小從197 J減小到117 J，船體最大應力從120.6 MPa降低到104.1 MPa。

圖7 不同船體板厚度下的碰撞結果

綜上所述，對船用護舷防護性能的評估需要考慮被防護結構的具體形式，達到相對剛度的平衡。當船體剛度較小時，護舷剛度應適當減小，從而延長碰撞時間，降低碰撞力和結構響應；當船體剛度較大時，護舷剛度應適當增大，使單位變形量下的吸能增大，加強防護性能。

文章來源：上海交通大學學報