0 引　言

近年来，随着航运业的高速发展，国家大力发展海洋强国战略，船舶安全问题受到高度重视。船舶火灾事故是水上交通事故的重要类型之一，一旦发生，无论是对于军用舰船还是民用船舶来说都会造成严重后果甚至会导致船舶沉没与倾覆。气垫船是船体全部或部分脱离支撑面航行的高速船舶，为了减轻船体重量，因此采用大量铝合金结构达到船舶轻量化的要求。但由于铝合金材料的热学特性，在船舶发生火灾的高温作用场下船体结构强度会迅速折减，船舱内的环境温度通过热对流、热辐射和热传导作用迅速升高导致油路管道的爆裂引发二次起火，甚至会出现舱室爆燃现象^{[1 − 2]}。由于烟气蔓延导致的温度传导不均匀性、材料的力学性能变化和边界条件的限制，对于船舱的结构隅角及舱室开口处会产生热应力从而导致结构变形甚至失效。根据上述影响因素，船舶舱室火灾高温作用场下的结构热力耦合研究可以分为船舶舱室火灾数值仿真研究、船舱火灾下温度分布特性研究与火灾下舱室结构热力耦合响应研究。

目前针对舱室火灾下的结构热力耦合响应的研究，主要依靠ISO834标准升温曲线去模拟船舶结构在火灾下的温度与应力变化。但在实际火灾场景中，火灾形成的高温作用场是不均匀分布在结构表面，结构的失效模式与极限承载能力变化是复杂多变的。

李陈峰等^[3]基于大涡模拟下结构热力耦合响应分析方法，建立舱段结构模拟火灾下船舱结构的剩余强度变化，为船体结构与抗火设计方案提供理论技术支撑。付丹文等^[4]构建集装箱舱段模型，以ISO834标准升温曲线作为火灾下温度场的输入条件，计算火灾下船体热力耦合响应与剩余极限强度变化。Zhang等^[5]分析加筋板在标准升温曲线下和轴向载荷作用下的热力耦合响应变化，分析在温度载荷与外力作用下的高温剩余强度和结构失效模式。Manco等^[6]以标准升温曲线作为温度输入条件，基于瞬态分析方法分析加筋板在初始缺陷下的结构热力耦合响应。Soares等^[7]开展了板架受热区域面积对于极限承载能力影响的研究。刘云山等^[8]基于亚格子模式的大涡模拟方法和非线性有限元显示动态计算方法，实现了不均匀温度场与有限元模型的温度映射过程，并通过算例验证方法可行性。郝军凯等^{[9 − 10]}在研究甲板板架的高温热力耦合响应时考虑了结构的初始缺陷和材料的高温热力学特性，采用顺序热力耦合算法分析了火灾下结构的失效模式。

目前研究阶段主要采用标准升温曲线作为温度场数据映射到各个节点位置^{[11 − 12]}，但在火灾实际发展过程中，由于通风条件、火源位置、材料引燃特性等各个因素，不同区域受到的温度影响也各不相同，因此基于大涡模拟方法模拟火灾下铝合金艇体火灾发展过程，获取了热释放功率不同的油池火灾下的高温作用场特性并开展铝合金艇体火灾高温作用场下结构热力耦合响应研究非常具有必要性。

1 艇体区域局部结构热力耦合研究技术方案

基于亚格子模式的大涡模拟模型构建铝合金结构艇体区域火灾场景，通过改变火源形式、结构材料参数获得油池火灾下温度场分布与单位面积热流数据。通过自编温度载荷映射程序和非线性有限元显式动态算法，开展火灾场景下船舶结构动态热力响应的研究，按照船舶火灾下结构热力耦合响应研究技术路线如图1所示，实现了现有的火灾模拟软件与有限元软件之间的数据传递。

2 火灾大涡模拟理论模型

火灾大涡模拟方法的低马赫数可压缩性流动可以用Navier-Stokes方程来描述^{[13 − 14]}，这在流体动力学领域己经被广泛被接受。可压缩流的N-S方程组如下^{[15 − 16]}：

质量守恒方程

$ \frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \frac{{\partial \rho {u_j}}}{{\partial {x_j}}} = 0，$

(1)

动量守恒方程

$ \frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \frac{{\partial \rho {u_i}{u_j}}}{{\partial {x_j}}} = \rho {f_i} - \frac{{\partial \rho }}{{\partial {x_i}}} + \frac{{\partial {\tau _{ji}}}}{{\partial {x_j}}}，$

(2)

能量守恒方程

$ \frac{{\partial \rho h}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \rho h{u_j}}}{{\partial {x_j}}} = \frac{{\partial p}}{{\partial t}} + {u_j}\frac{{\partial p}}{{\partial {x_j}}} + \phi - \frac{{\partial {q_j}}}{{\partial {x_j}}} + {q_m}，$

(3)

气体状态方程

$ p = \rho RT 。$

(4)

质量守恒方程也可以写成组分方程的形式：

$ \frac{{\partial \rho {Y_L}}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho {Y_L}{u_j}} \right)}}{{\partial {x_j}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {\rho {D_L}\frac{{\partial {Y_{{L}}}}}{{\partial {x_j}}}} \right) + {\dot m_L} 。$

(5)

式中：$ \rho $为气体密度；$ {u_j} $为气体速度；$ {f_i} $体积力；$ p $为压力；$ {\tau _{{{ji}}}} $为切应力，$ h $为焓；$ \phi $为耗散函数；$ {q_j} $为传递和辐射引起的热流密度；$ {\dot q_m} $为单位体积燃料的热释放率；$ T $为温度；$ R $为气体常数；$ {Y_L} $为组分$L$的质量分数；$ {D_L} $组分$L$的扩散系数；${\dot m_L}$为单位体积内组分$L$的生成率或消耗率。

3 目标舰船舱段基本信息与结构布置

鉴于气垫船特性建立铝合金艇体部分结构模型，根据舱室的用途，选取气垫船中心车辆舱的铝合金结构艇体区域作为研究对象进行分析，根据图纸要求各平台都设置为格栅平台能够自由进行热转递，将空间设置为开放区域，空气可以自由流动，艇体区域的长宽高分别为57 m × 7.8 m × 3.8 m。甲板结构的长度为16 m，宽度为12 m。图2为艇体防火区域透视图，图3为艇体甲板结构示意图，图4为艇体区域温度监测点布置图，表1为模型尺度与网格划分标准。

根据柴油池火的燃烧特性，火源热释放功率大约为 1600 kW/m²，火灾发展趋势设定为t平方模型，燃烧过程中的氧气质量分数下限为15％。为了进一步分析艇体区域的温度场变化与结构温升效应，开展铝合金结构热力耦合响应研究，在舱室高度为Z=1 m、Z=2 m、Z=3 m处分别布置热电偶测定空间区域温度变化。在FDS（Fire Dynamic Solution）界面中定义艇体防火区域表面的详细信息，合理设置艇体防火区域模型结构的网格精细程度，基于大涡模拟仿真获得油池火灾下艇体区域的温度切片数据与结构表面的单位面积热流数据进行温度映射，通过显示动态有限元分析方法开展铝合金结构艇体区域的热力耦合响应研究。

4 铝合金结构艇体油池火灾温度场特性研究 4.1 铝合金材料热学参数

火灾过程中对于船舶的高温作用场呈现不均匀分布，局部的高温作用会导致钢材热力性能突变导致船舶结构失效。当进行高温作用场下结构应力响应和变形计算时还应定义材料结构参数如泊松比、弹性模量、热膨胀系数和屈服极限等。同时相较于低温或常温，材料的高温参数很难通过测量得到，在显示动态分析中，仅需要给出几个关键温度点对应值，则软件可根据线性插值或外推法进行其余温度材料属性自动获得。艇体区域的加筋板与型材采用6082铝合金，其热物理参数如表2所示。

4.2 艇体区域温度场分析

油池面积大小与舱室通风条件是影响舱室火灾发展的重要因素。对于密闭舱室火灾，选取2 m×2 m的大型油池火进行火灾动力学仿真，继而进行舱室甲板板架结构的热力响应研究，图5为艇体区域火灾动态温度切片，可以发现200 s时火势逐渐增大，烟气在甲板结构的中央位置聚集，最高温度维持在820℃左右，影响区域面积达到甲板结构总面积的5％左右；300 s时发现火势区域温度迅速升高，烟气受到甲板结构的障碍物作用向四周蔓延，分布在甲板结构的边界区域，温度维持在440℃作用；400 s时火势不断受到火焰的卷吸作用影响，烟气层与冷空气层中不断交换的紊流导致火灾蔓延方向随时变化，甲板结构的影响区域也不断扩大。600 s时火灾发展维持稳定并随着氧气的不断消耗，火势具有减小趋势，烟气主要聚集在甲板结构中央位置。

为了进一步分析艇体区域舱室火灾在不同状态下的结构损伤模式，针对甲板板架在正常火灾状态下和消防设备介入下的火灾状态下进行对比分析。图6和图7分别为2 m×2 m的大型油池火灾状态下和消防设备介入下的舱室甲板板架的温度分布图。可以看出，随着火灾的发展，甲板板架温度呈现从中心向四周发散的顺序逐渐升高，并且温度整体呈现圆环递减分布，火势稳定后火源正上方处的板架温度最高。正常火灾发展状态下甲板板架达到最高温度约410℃，消防设备介入下火灾发展趋势受到有效抑制作用，最高温度维持在292℃左右，整体温度下降约28.7％。

图8和图9分别为2 m×2 m的大型油池火灾正常发展状态下和消防设备介入下的舱室甲板板架的不同时刻的应力分布图，可以发现火灾发展初期的结构表面温度与甲板结构的内应力变化呈现正相关关系，火势越大造成的高温作用场对甲板结构的内应力变化越大。T=400 s之后可以发现甲板结构内应力发生转移，应力的最大区域向横梁的端部转移，最大值为224 MPa。随着火灾持续发生，板架屈服面积逐渐增加，可以发现，在火灾发展过程中，甲板结构的失效区域从板架的中心区域蔓延到板架靠近端部的四周区域，正常火灾发展阶段与消防介入下的火灾发展阶段对甲板结构的损伤强度不同，趋势大致相同。

图10为火灾下甲板结构剩余极限强度系数随火灾持续时间的变化趋势。可以看出，在油池火灾的发展的轰燃阶段与全面燃烧阶段甲板结构剩余强度丧失速度较快，在240 s剩余强度系数下降约62％。但在油池火灾的发展后期，由于舱室密闭环境，燃烧过程中氧气不能及时补充，对火势起到氧气窒息作用，火势减小。同时与外部舱室形成空气对流作用，甲板结构温度有下降趋势，甲板结构剩余强度系数略微回升。在正常火灾状态下剩余强度系数最终稳定在22％，在火灾发生的封舱状态下剩余强度系数最终稳定在43％，在细水雾介入火灾状态下剩余强度系数最终稳定在47％，在细水雾与二氧化碳复合喷淋下剩余强度系数最终稳定在49％。

4.3 火灾作用下甲板板架失效模式与典型位置侧向位移变化

针对甲板板架在火灾发展阶段的不同温度区域，选取火焰正上方处甲板板A点、B点、C点、D点、E点及F点等6处典型位置以及甲板横梁的5处典型位置，如图11所示。可以发现，甲板结构温度主要分为高温区域、中等温度区域与低温区域，甲板中央区域温度最高，温度呈圆环形状向甲板边界依次降低，温度下降趋势也是逐渐放缓。

图12为火灾下甲板结构典型位置温度曲线，可以看出甲板板D点、E点、F点的温差十分接近，变化趋势大致相同。A点位于甲板结构中央，温度上升速度最快。F点与E点跨越3个纵骨跨距，结构温度最低，其原因是火灾发展过程中导致温度最重要的因素是热对流与热传导。舱室甲板的端部区域靠近外部舱室，空气对流作用能够有效抑制结构温度上升，保持甲板板架的结构强度。

图13与图14分别为火灾下甲板典型位置等效应力云图与等效应力随火灾持续时间的变化曲线。可以发现，T=80 s时，甲板A点与B点在甲板内应力迅速变大，超过屈服强度导致塑性变形，随后内应力又迅速减小并保持稳定状态，最终内应力维持在130 MPa。这是由于在舱室火灾的轰燃阶段，舱室的温度迅速升高导致舱室甲板中央区域发生结构变形，热应力成为结构应力的主要成分。随着火灾发展导致的氧气耗尽，火势逐渐减小，结构发生膨胀抵消部分拉伸应力，甲板结构内应力逐渐减小。甲板C点、D点、E点、F点的结构热应力为内应力的主要成分，火灾的高温作用下甲板结构都超出了屈服强度约4％，产生结构变形。其失效特征为甲板先发生屈曲，随后加强筋发生扭转屈曲崩溃。

图15与图16分别为火灾下甲板板架纵骨应力云图与侧向位移随火灾持续时间的变化曲线。可以发现2号纵骨的侧向位移最大，在T=305 s时，最大纵向位移为11 mm。1号纵骨与2号纵骨的侧向位移变化趋势大致相同，但1号纵骨在火灾后期阶段侧向位移更大，2号纵骨的热膨胀变形导致的部分热应力与拉伸应力相抵消，侧向位移较小。3号纵骨与4号纵骨的侧向位移变化趋势与侧向位移大小大致相同，最大侧向位移分别为7.2 mm与6.8 mm。由于5号纵骨靠近舱室外侧受到外界的空气对流作用，受到火灾的影响最小，最大侧向位移为4.6 mm。

5 结　语

为了开展气垫船的铝合金艇体结构在火灾高温作用场下的甲板结构热力耦合响应研究，本文基于大涡模拟算法，使用FDS火灾动力学仿真软件模拟舱室火灾，将环境温度映射至结构有限元模型。考虑结构的初始缺陷和材料的高温热学特性，采用顺序热力耦合算法计算甲板板架在火灾发展过程中的动态热力响应并分析结构失效模式，研究结果表明：

1）艇体区域油池火灾发展过程中，火势不断受到火焰的卷吸作用影响，烟气层与冷空气层中不断交换的紊流导致火灾蔓延方向随时变化，火势稳定后火焰正上方的甲板结构区域温升效应显著。

2）由于从环境温度传递到结构温度需要经过热对流与热辐射，因此在火灾发展初期结构温度变化远小于对应的环境温度，艇体区域烟气的温度变化会延时影响甲板结构的温度。由于空气对流和烟气沉降的影响，最终结构表面温度大约为烟气温度大小的46.17％。

3）高温作用导致甲板结构热应力增加并发生结构变形，甲板结构中央位置的高温下剩余极限强度下降较快，其失效特征为甲板板先发生屈曲，随后加强筋发生扭转屈曲崩溃。在高温区域的纵骨侧向偏移程度较大。在偏向外部舱室的纵骨由于受到外部舱室的空气对流作用，甲板结构的热量被带走，温升较慢，侧向偏移相对较小，满足铝合金结构强度要求。

为了满足船舶结构强度的基础上需要完成船舶铝合金结构的轻量化设计，高温作用场下铝合金结构容易发生结构变形甚至结构失效导致船舶事故，有必要设定相关铝合金结构防火标准准则去完善铝合金结构设计的安全性与可靠性，为后续同类型船的铝合金结构轻量化设计提供技术依据。