2021, Vol. 43
2. 中国船舶集团有限公司第七一四研究所，北京 100101
2. The 714 Research Institute of CSSC, Beijing 100101, China
橡胶护舷由于其具有吸能量大、反力小、耐腐蚀等特性[1]，通常作为防撞措施，广泛地应用在船桥防撞、码头靠泊、靠桩船防撞、船舶海上并靠等作业环境中。根据不同的作业特点，需要合理地选择使用不同形式的橡胶护舷，以获得更佳的防撞效果和经济效益。
船舶在海上进行并靠作业时，目前普遍采用的防撞设备是漂浮型充气橡胶靠球[2]，其主要适用于并靠两船接触位置在水面以上的工况。因现实需求，会遇到船型差异较大的船舶在海上实施并靠作业的情况，此时两船接触位置位于水面以下，普通护舷吃水小，无法在水下起到间隔和缓冲的作用。
本文基于这一现实需求，对适用于两船接触位置位于水面以下的2种新型护舷−潜没式护舷和气液混合型护舷进行力学性能比较研究。通过分别建立2种护舷及并靠两船的有限元模型，采用数值模拟方法对船体和2种护舷的低速碰撞问题进行评估，分析比较护舷的变形情况和对船体的法向反力及压强，为海上船舶并靠的护舷形式提供选择依据。
1 有限元模型建立根据2种护舷的结构形式特点和材料模型，采用Patran/Marc有限元分析软件进行计算，分别建立潜没式护舷和气液混合型护舷受压时的单体模型。
1.1 两种护舷的结构形式潜没式护舷主要由铝合金框架、橡胶护舷、浮筒和链索组成，每根铝合金立柱上布置一根橡胶护舷。钢结构框架为橡胶护舷提供支撑，保证两船之间有足够间隔，避免发生直接碰撞，橡胶护舷安装在钢结构框架上，用于吸收两船并靠时产生的有效靠泊能量，起到缓冲作用，避免船体受损，浮筒可以提供浮力使护舷保持一定的吃水，实现垂直居中布放[2]。
气液混合型护舷采用充气注水式囊体的技术形式，主要由橡胶囊体、上下法兰金属构件、充气注水控制单元和附件等组成[3]，使用时在囊体内注入海水和压缩空气，这样可以克服海水浮力，使护舷具有一定的吃水，在水下起到间隔作用，通过压缩囊体内的空气，吸收靠泊撞击能量，起到缓冲作用。
1.2 材料模型 1.2.1 潜没式护舷材料模型潜没式护舷的防撞主体为橡胶护舷，橡胶材料通常被视为不可压缩和各向同性的超弹性体[4]，其本构模型可以基本分为2类[5-6]。一类是基于分子网络的热力学统计模型，如Neo-hookean模型和Arruda-Boyce模型等；另一类是基于现象学的唯象理论，如Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型等。
本文采用基于现象学的唯象理论Yeoh模型作为橡胶护舷材料本构模型，其优点在于能够反映不同变形模式下的反“S”形应力—应变曲线，符合两船并靠状态下潜没式护舷的实际变形情况。Yeoh模型的应变能密度方程[7]为：
| $W = {C_{10}}\left( {{{ I}_{{C}}} - 3} \right) + {C_{20}}{\left( {{{ I}_{{C}}} - 3} \right)^2} + {C_{30}}{\left( {{{ I}_{{C}}} - 3} \right)^3}\text{。}$ | (1) |
式中：
气液混合型护舷囊体由耐磨损橡胶表层、气密橡胶层和帘线加强层多种材料组成，主要由帘线加强层起到保持内部气压作用，并且在不同的方向上呈现出力学性能差异。
采用三维正交各向异性材料本构模型模拟囊体材料，正交各项异性材料有3个相互正交的对称平面，其应力—应变关系如下式[8]：
| $\left[\!\!\!\!\!\! {\begin{array}{*{20}{c}} {{\varepsilon _{11}}}\\ {{\varepsilon _{22}}}\\ {{\varepsilon _{33}}}\\ {{\gamma _{12}}}\\ {{\gamma _{23}}}\\ {{\gamma _{33}}} \end{array}} \!\!\!\!\!\!\right]\!=\! \left[\!\!\!\!\!\! \begin{array}{l} \;1/{E_1}\;\;\;\;\; - {v_{12}}/{E_2}\;\; - {v_{31}}/{E_3}\;\\ - {v_{21}}/{E_1}\;\;\;\;2/{E_2}\;\;\;\; - {v_{23}}/{E_3}\\ - {v_{31}}/{E_1}\; - {v_{32}}/{E_2}\;\;\;\;\;1/{E_3}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;1/{G_{23}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;1/{G_{31}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;1/{G_{12}} \end{array} \!\!\!\!\!\!\right]\left[\!\!\!\! {\begin{array}{*{20}{c}} {{\sigma _{11}}}\\ {{\sigma _{22}}}\\ {{\sigma _{33}}}\\ {{\tau _{12}}}\\ {{\tau _{23}}}\\ {{\tau _{33}}} \end{array}} \!\!\!\!\right]{\text。}$ | (2) |
式中：
采用Patran/Marc有限元分析软件进行计算，分别建立潜没式护舷和气液混合型护舷的单体模型，如图1和图2所示。
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图 1 潜没式护舷单体模型 Fig. 1 The single model of submerged fender |
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图 2 气液混合型护舷单体模型 Fig. 2 The single model of hydro pneumatic fender |
选取3级海况作为输入条件，其中，波浪的特征周期为7.2 s，有义波高为1.25 m，风速为10.7 m，流速为2.0 kn，风浪向为−45°、流向为0°。根据两船并靠方案，建立船1、船2和护舷的有限元模型，其中船1为大型船，与船2并靠时，船1并靠侧在#35（3号护舷）、#70（2号护舷）、#105（1号护舷）、#135（0号护舷）附近分别布设一个护舷。
第1种典型工况是在船1绞车的作用下，船2以一定的横漂速度缓慢向船1靠近，直至与护舷发生接触。在第1种典型工况中，当船1与船2并靠时，位于#35肋位的3号护舷和位于135#肋位的0号护舷几乎不与船2船体接触，所以在本次计算忽略船1与船2并靠方案中的0，3号护舷。船1与船2并靠方案的整体有限元模型如图3所示。
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图 3 船1、船2与护舷的整体有限元模型 Fig. 3 The integrated finite model of ship 1, ship 2 and fender |
第2种典型工况是在风、浪、流的作用下，两船在并靠过程中发生周期性的横向运动，船体与护舷会产生周期性的接触碰撞。3号护舷和0号护舷几乎不与船2船体接触，所以在本次计算中不考虑0号和3号护舷。因此分别建立船1与船2在70#、105#肋位处的潜没式护舷以及气液混合型护舷和船体局部有限元模型，如图4和图5所示。
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图 4 两船与1号和2号潜没式护舷的局部有限元模型 Fig. 4 The local finite model of two ships with No.1 and No.2 submerged fender |
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图 5 两船与1号和2号气液混合型护舷局部有限元模型 Fig. 5 The local finite model of two ships with No.1 and No.2 hydro pneumatic fender |
根据建立的三维有限元模型，运用结构动力学理论，以两船并靠状态下的运动响应为输入条件，求解2种典型工况下2种护舷的变形情况和护舷对船2船体的反作用力和压强，评估比较得到2种护舷在两船并靠状态下的低速碰撞性能。
3.1 第1种典型工况计算分析在1号护舷处，潜没式护舷中部压缩量最大，1号护舷最大压缩量变化曲线如图6和图7所示。与船1接触的最大压缩量为41.35%，与船2接触的最大压缩量为55.08%。气液混合型护舷中部压缩量最大，1号护舷最大压缩量变化曲线如图8所示，最大压缩量为40.68%。潜没式护舷对船2船体的最大法向反力为114 kN，如图9所示。对船2船体的最大压强为0.35 MPa。气液混合型护舷对船2船体的最大法向反力为26.1 kN，如图10所示。对船2船体的最大压强为0.081 MPa。
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图 6 与船2接触的潜没式护舷压缩量曲线 Fig. 6 Compression curve of the submerged fender contacted ship 2 |
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图 7 与船1接触的潜没式护舷压缩量曲线 Fig. 7 Compression curve of the submerged fender contacted ship 1 |
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图 8 气液混合型护舷压缩量曲线 Fig. 8 Compression curve of the hydro pneumatic fender |
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图 9 潜没式护舷对船2法向反力云图 Fig. 9 The cloud chart of normal reaction on ship 2 by the submerged fender |
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图 10 气液混合型护舷对船2法向反力云图 Fig. 10 The cloud chart of normal reaction on ship 2 by the hydro pneumatic fender |
在2号护舷处，潜没式护舷中部压缩量最大，2号护舷最大压缩量变化曲线如图11和图12所示。与船1接触的最大压缩量为39.11%，与船2接触的最大压缩量为26.9%。气液混合型护舷中部压缩量最大，2号护舷最大压缩量变化曲线如图13所示，最大压缩量为40.32%。潜没式护舷对船2船体的最大法向反力为57.7 kN，如图14所示。对船2船体的最大压强为0.21 MPa。护舷对船2船体的最大法向反力为19.1 kN，法向反力云图如图15所示，2号护舷对船2船体的最大压强为0.034 MPa。
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图 11 与船2接触的潜没式护舷压缩量曲线 Fig. 11 Compression curve of the submerged fender contacted ship 2 |
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图 12 与船1接触的潜没式护舷压缩量曲线 Fig. 12 Compression curve of the submerged fender contacted ship 1 |
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图 13 气液混合型护舷压缩量曲线 Fig. 13 Compression curve of the hydro pneumatic fender |
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图 14 潜没式护舷对船2法向反力云图 Fig. 14 The cloud chart of normal reaction on ship 2 by the submerged fender |
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图 15 气液混合型护舷对船2法向反力云图 Fig. 15 The cloud chart of normal reaction on ship 2 by the hydro pneumatic fender |
在此工况中，1号护舷处潜没式护舷最大压缩量大于气液混合型护舷，2号护舷处潜没式护舷最大压缩量小于气液混合型护舷；在1号、2号护舷处潜没式护舷对船2的最大法向反力和最大压强均大于气液混合型护舷。同时，潜没式护舷的1号护舷对船2一侧的最大压缩量为55.08%，超出该护舷设计压缩量52.5%，不适用于该两型船的并靠防撞。
3.2 第2种典型工况计算分析在1号护舷处，潜没式护舷中部压缩量最大，1号护舷最大压缩量变化曲线如图16和图17所示。与船1接触的最大压缩量为20.69%，与船2接触的最大压缩量为29.57%。气液混合型护舷中部压缩量最大，1号护舷最大压缩量变化曲线如图18所示，最大压缩量为21.89%。潜没式护舷对船2的最大法向反力为144 kN，如图19所示。对船2船体的最大压强为0.63 MPa。气液混合型护舷对船2船体的最大法向反力为4.85 kN，如图20所示。对船2船体的最大压强为0.091 MPa。
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图 16 与船2接触的潜没式护舷压缩量曲线 Fig. 16 Compression curve of the submerged fender contacted ship 2 |
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图 17 与船1接触的潜没式护舷压缩量曲线 Fig. 17 Compression curve of the submerged fender contacted ship 1 |
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图 18 气液混合型护舷压缩量曲线 Fig. 18 Compression Curve of the hydro pneumatic fender |
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图 19 潜没式护舷对船2法向反力云图 Fig. 19 The cloud chart of normal reaction on ship 2 by the submerged fender |
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图 20 气液混合型护舷对船2法向反力云图 Fig. 20 The cloud chart of normal reaction on ship 2 by the hydro pneumatic fender |
在2号护舷处，潜没式护舷与船2船体接触的橡胶护舷中部压缩量最大，与船1船体接触的橡胶护舷上端部压缩量最大，2号护舷最大压缩量变化曲线如图21和图22所示。与船1接触的最大压缩量为62.18%，与船2接触的最大压缩量为31.97%。气液混合型护舷中部压缩量最大，2号护舷最大压缩量变化曲线如图23所示。最大压缩量为23.35%。潜没式护舷2号护舷对船2的最大法向反力为102 kN，如图24所示。对船2的最大压强为0.43 MPa。护舷对船2的最大法向反力为2.14 kN，法向反力云图如图25所示。2号护舷对船2的最大压强为0.011 MPa。
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图 21 与船2接触的潜没式护舷压缩量曲线 Fig. 21 Compression curve of the submerged fender contacted ship 2 |
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图 22 与船1接触的潜没式护舷压缩量曲线 Fig. 22 Compression curve of the submerged fender contacted ship 1 |
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图 23 气液混合型护舷压缩量曲线 Fig. 23 Compression curve of the hydro pneumatic fender |
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图 24 潜没式护舷对船2法向反力云图 Fig. 24 The cloud chart of normal reaction on ship 2 by the submerged fender |
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图 25 气液混合型护舷对船2法向反力云图 Fig. 25 The cloud chart of normal reaction on ship 2 by the hydro pneumatic fender |
在此工况中，1号、2号护舷处潜没式护舷最大压缩量大于气液混合型护舷；在1号、2号护舷处潜没式护舷对船2的最大法向反力和最大压强均大于气液混合型护舷。潜没式护舷的2号护舷对船1侧的最大压缩量为62.18%，大于该型护舷设计压缩量52.5%，故潜没式护舷不适用于该两型船的并靠防撞。
4 结 语综上所述，在2种典型工况下潜没式护舷的最大压缩量总体上大于气液混合型护舷最大压缩量，气液混合型护舷吸能量较大；潜没式护舷对船2的最大法向反力和最大压强均大于气液混合型护舷，且差值较大。
通过评估比较潜没式护舷和气液混合型护舷在并靠状态下低速碰撞的性能特性，可以得到如下结论：对于船型差异较大、两船接触位置在水面以下的情况，气液混合型护舷相较潜没式护舷性能更优，其吸能量大，压缩量较小：随着压缩量的增加，气液混合型护舷与船体接触面积也不断增加，对船体压强较小，而潜没式护舷与船体的接触面积则较小，且无明显变化。同时，气液混合型护舷的圆筒形状有利于分散挤压，应力集中现象不明显，对并靠两船的反力较低。在实际使用过程中，气液混合型护舷还可以进行吃水调整，能适应海浪频繁的颠簸冲撞，更适用于在复杂海洋环境中作业。
| [1] |
朱珉虎. 船舶护舷的现状和发展趋势[J]. 中外船舶科技, 2018, 1: 16-24. ZHU Min-hu. Research situation and development tendency on ship fenders[J]. Shipbuilding Science and Technology, 2018, 1: 16-24. |
| [2] |
张新福, 赵珍强, 黄海波. 大型舰船海上靠泊用潜没式护舷设计[J]. 船舶工程, 2018, 40(S1): 174-175. ZHANG Xin-fu, ZHAO Zhen-qiang, HUANG Hai-bo. Design on submerged fenders for large ships berthing at sea[J]. The Ship Engineering, 2018, 40(S1): 174-175. |
| [3] |
赵珍强, 张海洋, 刘刚. 气液混合型靠泊护舷研究[J]. 船舶工程, 2011, 33(S2): 187-189. ZHAO Zhen-qiang, ZHANG Hai-yang, LIU Gang. Study on hydro pneumatic fender[J]. The Ship Engineering, 2011, 33(S2): 187-189. |
| [4] |
李雪冰, 危银涛. 一种改进的Yeoh超弹性材料本构模型[J]. 工程力学, 2016, 33(12): 38−43. LI Xue-bing, WEI Yin-tao. An improved Yeoh constitutive model for hyperelasticmaterial[J]. 2016,33(12): 38−43. |
| [5] |
李晓芳, 杨晓翔. 橡胶材料的超弹性体本构模型[J]. 弹性体, 2002, 15(1): 50-58. LI Xiao-feng, YANG Xiao-xiang. A review of elastic constitutive model for rubber materials[J]. China Elastomerics, 2002, 15(1): 50-58. |
| [6] |
PUCCI E, SACCOMANDI G. A note on the gent ruber-like materials[J]. Rubber Chemistry and Technology, 2002, 5(5): 839-952. |
| [7] |
YEOH O H. Characterization of elastic properties of carbon black-filled rubber vulcanizates[J]. Rubber Chemistry and Technology, 1990, 63(5): 792-805. DOI:10.5254/1.3538289 |
| [8] |
闫立平. 橡胶材料的大变形分析及有限元计算[D]. 北京: 北京交通大学, 2003.
|