0 引　言

在现代船舶工业中，铝合金船体凭借其突出的性能展现出了广泛的应用及至关重要的地位。铝合金具有密度低的显著特性，其重量约为钢材的1/3，这使得铝合金船体能够极大地减轻船舶自重，进而提高载重量与运输效率，在高速船、游艇以及特种船舶等多种船型中都得到了大量应用。特种船舶因铝合金的耐腐蚀性和轻量化在复杂海洋环境作业中表现出色。从船舶性能提升角度，其轻量化降低了航行阻力，增加了燃油效率和续航能力，并且良好的可加工性有助于设计出更优化的结构，增强了船舶竞争力。铝合金船体的应用推动了船舶工业在材料、设计和制造工艺等领域的创新，促进了整个行业的技术进步与产业升级，对现代船舶工业的可持续发展起到了不可替代的支撑作用。

搁浅是船舶在航行过程中面临的一种严重意外情况，对船体结构完整性会产生多方面的不利影响并严重威胁安全运营。当船舶搁浅时，船底会与搁浅物发生剧烈碰撞和摩擦，可能导致船体外板出现凹陷、变形甚至破裂，使海水有机会进入船舱，破坏船舶的水密性。同时，搁浅产生的巨大冲击力会沿着船体结构传递，引发内部结构的变形、断裂，削弱船体的整体强度。这不仅会使船舶的稳性降低，增加船舶在后续航行中发生倾覆或进一步损坏的风险，还可能影响船舶的操纵性能，导致船舶难以正常航行和避让其他船只，在复杂的水域环境中对自身及周边船舶的安全构成极大威胁，严重时甚至可能引发沉船事故，造成人员伤亡和巨大的财产损失。

船舶在运营过程中面临着各种可能导致损伤的风险，如碰撞、搁浅等，而这些损伤会对船舶的结构性能、稳性以及生存能力等产生重大影响。国内外对船舶搁浅时其结构性能进行了相关研究，Acanfora等^[1]指出，船舶一旦出现损伤开口，其水动力特性、结构受力等方面的响应都会发生改变，设计并开展了一系列实验，模拟不同尺寸、位置的损伤开口情况，然后测量船舶在多种工况下的响应参数。Gu等^[2]围绕作战舰艇在横浪中的稳定性进行研究，对比分析了完整状态和破损状态下舰艇的稳性表现。其研究成果可以为作战舰艇的设计以及在航行中的安全策略制定提供了有力的理论和实验依据，有助于提高作战舰艇在复杂海况和受损情况下的生存能力。Ruponen等^[3]提出了一种基于仿真的客船破损生存能力分析方法，该方法借助先进的计算机仿真技术，综合考虑了客船的结构特点、不同类型的损伤模式（如碰撞、火灾、水淹等导致的损伤）以及在各种工况下的响应情况。通过建立详细的客船模型，模拟不同损伤场景下客船的结构完整性变化、浮力变化以及人员疏散等多方面因素，进而评估客船的破损生存能力。综合来看，这些研究受限于模型与实船的差异，仿真分析方法可能需进一步完善以考虑更多复杂的实际因素等。本文针对铝合金船体的特点，使用数值分析的方法对铝合金船体搁浅损伤情况进行探究。

1 铝合金船搁浅损伤机理分析 1.1 搁浅原理

一般船舶在礁石搁浅时，船底会受到礁石的强烈作用力。如在板材准静态切割实验中，礁石会对船底板产生水平切割力和垂向切割力。水平切割力在礁石切割过程中变化复杂，其大小受礁石形状、切割深度、摩擦系数等因素影响。垂向切割力在板材破裂前基本无差异，破裂后也无明显变化，表明摩擦对其影响不大。对于铝合金船舶，由于铝合金的力学性能与钢材有所不同，其屈服强度等参数会影响船底板在受到这些力时的响应。铝合金的屈服强度低于钢材，在相同的礁石作用力下，更容易发生塑性变形^[4]。

在损伤模式方面，一般船舶的船底板会出现局部撕裂变形和横向整体变形，如锥形礁石搁浅下船底板的变形损伤模式包括礁石搁浅处的局部撕裂变形与横向整体变形，且局部撕裂变形的船底板与礁石轮廓贴合，并以圆弧过渡连接整体变形，裂纹尖端处材料会因横向拉伸导致颈缩失效^[5]。铝合金的材质特性可能使损伤模式有所不同，其延展性较好，在受到礁石冲击时，可能会出现更大范围的塑性变形，但不会像钢材那样产生脆性断裂导致的撕裂破口。如果铝合金船舶的结构设计不合理或在长期海水腐蚀等因素影响下导致材料性能下降，在搁浅时也可能出现严重的损伤，如船底板被礁石贯穿、舱室进水等情况，进而影响船舶的整体结构强度和稳定性。

1.2 船舶搁浅过程分析

船舶搁浅时的受力过程较为复杂，船舶横倾角变化也会经历3个阶段，分别为接触阶段、挤压阶段和稳定阶段，图1为船舶搁浅过程横倾角度变化。

1）接触阶段：当船舶刚开始接触礁石时，礁石对船底板产生一个较小的作用力。此阶段作用力主要源于船舶的惯性以及自身重力在接触点处产生的分力。由于接触面积较小，单位面积上的压力相对较大，但总体力的大小处于初始增长状态，此时船舶横倾角度急剧变化。

2）挤压阶段：随着船舶继续向礁石挤压，船底板发生变形，接触面积逐渐增大。礁石对船底板的作用力迅速增大，且力的增长速率加快^[6]。此时作用力不仅要克服船舶的惯性和重力分力，还要抵抗船底板的变形阻力。船底板材料开始进入塑性变形阶段，应力分布不均匀，在接触区域边缘出现应力集中现象，此时船舶横倾角缓慢震荡减小。

3）稳定阶段：如果船舶没有发生进一步的位移或运动状态的改变，船底板与礁石之间的作用力会达到一个相对稳定的值。此时，船舶的动能已大部分被消耗，船底板的变形也趋于稳定，作用力主要用于维持船舶在礁石上的平衡状态，包括抵抗船舶的重力、浮力以及可能的外部水流等作用力，此时船舶已经倾斜，且横倾角基本无变化。

2 船体搁浅损伤数值分析 2.1 船体搁浅模型建立及参数设定

为了对船体搁浅损伤进行数值分析，需要建立基于ABAQUS的铝合金船模型，并对相关参数进行设定。模型建立和参数设定需要综合考虑船体结构、材料特性、接触设置和分析步等多方面因素，以准确模拟铝合金船在搁浅损伤过程中的力学行为。

1）船体搁浅模型

船体结构建模：根据实际铝合金船的尺寸和形状，使用合适的单元类型对船体结构进行建模。对于船体板，可采用壳单元（S4R壳单元）来模拟其在搁浅过程中的变形和损伤。船体结构存在加强筋等构件，需按照实际布置和尺寸进行建模，如模拟纵骨架式、横骨架式或混合骨架式的加强方式。

搁浅礁石建模：将搁浅礁石建模为离散刚体，单元类型可选择R3D4离散刚体单元。根据实际搁浅场景中礁石的形状（如锥形、三棱锥等）进行几何建模，并合理设置其尺寸和位置。

2）参数设定

材料参数：铝合金材料具有独特的力学性能，需准确设定其材料参数，包括弹性模量、泊松比、屈服强度、极限强度等。这些参数可通过材料试验或参考相关铝合金材料标准获得。常见铝合金的弹性模量约为70～80 GPa，泊松比约为0.33。在定义材料的应变-应力曲线时，考虑铝合金的弹塑性特性，根据真实应变-应力曲线进行输入，并扣除弹性应变得到塑性应变。图2为某铝合金船体材料的应变-应力曲线。

接触参数：设置礁石与船底板之间的接触关系。采用通用接触方式来自动识别接触部分，避免复杂的接触类型定义。关键是合理设定摩擦系数，可通过参考已有研究或进行简单的摩擦试验来确定。对于铝合金与礁石的摩擦系数，与钢材有所不同，需根据实际情况进行调整，一般在0.2～0.4之间进行试算和验证，本文设定接触参数为0.3。

分析步参数：根据搁浅过程的特点设置分析步。在模拟板材准静态切割过程时，可适当提高礁石的切割速度以节省计算时间，但要确保不影响结果的准确性。分析步总时长需根据具体情况设置，本文设置为 0.1 s。同时，合理设置时间增量步，采用中心差分法对运动方程进行显式积分计算时，需将整个分析计算时长分成若干个很小的时间增量步，以保证计算的稳定性和准确性。

对模型和参数进行多次验证和调整，通过与实验结果对比等方式，不断优化模型，使其能够准确反映铝合金船在搁浅损伤过程中的力学行为。在网格划分方面，对不同部位设置合适的网格尺寸，对于船底板等关键受力部位可采用较小的网格尺寸，根据板厚的一定倍数进行设置，如4～8倍板厚，而对于远离搁浅区域或对结果影响较小的结构部分，可适当增大网格尺寸以减少计算量。

2.2 仿真工况与载荷条件定义

不同铝合金船舶搁浅工况不尽相同，特别是搁浅速度、礁石形状与位置等对铝合金船体搁浅损伤的数值分析影响较大。设定船体长度为60 m，型宽为10 m，型深为4 m，吃水深度为2.5 m，船型为单底单壳结构。

1）工况定义

①搁浅速度：根据实际可能发生的情况设定不同的船模搁浅初速度，在船模搁浅实验中设置了1.80～2.50 m/s等不同搁浅初速度工况，以研究速度对搁浅结果的影响。在实际仿真中可参考这些速度范围，并根据研究重点进一步细化或扩展速度区间。对于小型铝合金船在1～3 m/s之间选取多个速度值进行仿真，而大型船舶可能在0.5～2 m/s范围内设置速度工况。

②礁石形状与位置：采用如60°圆锥、30°圆锥、三棱锥（线切割）、三棱锥（面切割）等不同形状的礁石，并设置其在船底板的横向偏心距和搁浅深度。实验中设置横向偏心距在8～84 mm之间变化，搁浅深度根据礁石类型和研究目的进行调整。在仿真时，精确构建礁石的几何模型，并准确设置其位置参数，以模拟不同的搁浅场景。

2）载荷条件施加

①重力载荷：在仿真模型中定义沿Z轴负向的重力加速度，模拟船舶在实际环境中的重力作用。这对于船舶在搁浅过程中的下沉、倾斜等运动以及结构受力有重要影响。

②搁浅力：根据礁石与船底板的接触情况和运动状态，由软件自动计算礁石对船底板的作用力。在设置接触参数（摩擦系数）后，系统会在仿真过程中根据接触算法和材料特性计算出水平搁浅力和垂向搁浅力。同时可参考经验公式或实验数据对计算结果进行验证和调整。

2.3 数值分析仿真结果

1）船底损伤情况分析

根据材料的失效准则判断船底板的损伤情况。采用常应变失效准则、基于成形极限曲线的失效准则或 GL失效准则等^{[7 − 8]}。在仿真中，当材料的应变达到设定的临界值时，认为该区域发生损伤。通过对比不同失效准则下的损伤预测结果与实验结果，选择合适的失效准则来准确评估铝合金船体的损伤程度。同时，分析损伤区域的大小、位置和形状，以及其对铝合金船体整体结构强度和稳定性的影响。查看仿真结果中的位移、应变等云图，分析船底板在搁浅过程中的变形情况。观察是否出现局部凹陷、撕裂、整体弯曲等变形模式。

使用数值分析软件获取船舶底板在触碰到30°圆锥礁石时的搁浅力分布情况，具体如图3所示。

可知，当船舶底板在触碰到礁石时，会形成一个以礁石为中心点的应力集中区域。礁石中心点受力大，并且越往外受力会减小，呈现出一种较为明显的梯度变化。在中心点处，由于礁石与船底板的直接撞击以及局部变形的协同作用，应力高度聚集，该区域的铝合金材料承受着巨大的压力与剪切力。随着与中心点距离的逐渐增加，力沿着船底板向四周扩散传递，受力面积不断扩大，根据力的分散原理，单位面积上所承受的力随之降低。这种力的分布特征对于船底板的结构完整性具有关键影响，在中心点附近的船底板材料极易因超过其极限承载能力而发生损伤，如出现裂缝、塑性变形甚至局部破损等情况。而在力逐渐减小的外围区域，虽然受力相对较小，但依然可能因处于较高应力状态或受到反复的应力波动而产生疲劳损伤。通过对该搁浅力分布情况的深入分析，能够为铝合金船舶结构设计、材料选择以及后续的维修加固策略制定提供极为重要的依据，有助于提升船舶在搁浅等意外工况下的安全性与可靠性，确保船舶在复杂海洋环境中的稳定运行并降低潜在风险与损失。

图4为船底破损区域云图，模拟条件为船舶通过30°圆锥状礁石，搁浅初速度为2.0 m/s。使用数值软件可以直接分析出铝合金船体的破损区域，且对于铝合金船体，由于其材料特性，在相同载荷下变形程度与钢材船体有所不同，需要重点关注铝合金船体的塑性变形区域的发展和扩展情况。

2）船底水平切割力分析

获取船底板在搁浅过程中的应力分布情况，分析应力集中区域的位置和大小。采用如60°圆锥、30°圆锥、三棱锥（线切割）、三棱锥（面切割）等不同形状的礁石，在不同的搁浅初速度下，应力集中可能出现在礁石与船底板的接触部位、船底板的边缘或加强筋与船底板的连接处等。

图5为不同工况下铝合金船底板受到的水平切割力，可以发现搁浅初速度越大，船底板受到的水平切割力越大，对于不同形状的礁石而言，在相同搁浅初速度情况下，铝合金船底板受到的水平切割力：30°圆锥<60°圆锥<三棱锥（线切割）<三棱锥（面切割），因而铝合金船舶在搁浅情况下遭遇三棱锥（面切割）时损伤最大。

3 结　语

铝合金船体在未来船舶制造中会越来越普遍，对其在搁浅工况下进行损伤数值分析也是船舶制造的必经之路，同时也可以在触礁时快速制定救援方案。本文的结论主要包括：

1）使用数值分析方法可以对铝合金船体搁浅进行建模、损伤分析、受力分析等，不同的铝合金船体需要设定不同的仿真条件；

2）对于铝合金船体而言，搁浅初速度越大，船体损伤情况越严重；对于不同礁石形状，在相同搁浅初速度情况下，铝合金船底板受到的水平切割力：30°圆锥<60°圆锥<三棱锥（线切割）<三棱锥（面切割），遭遇三棱锥（面切割）时损伤最大。