張新宇，由遙巍

（海裝沈陽(yáng)局駐大連地區(qū)某軍事代表室，遼寧 大連 116000）

工程船舶及海工平臺(tái)上，墜落物沖擊事故的發(fā)生頻次較高、產(chǎn)生后果嚴(yán)重。一般而言，工程船及海洋平臺(tái)的甲板起吊作業(yè)任務(wù)繁多，因此重物墜落事故發(fā)生較為頻繁。據(jù)統(tǒng)計(jì)，重物墜落沖擊事故約占海洋平臺(tái)事故總量的1/3 以上，位居榜首。墜落物沖擊將直接造成甲板變形及損傷，進(jìn)而威脅人員、設(shè)備安全甚至結(jié)構(gòu)物的整體安全。

為減小墜落物沖擊對(duì)甲板結(jié)構(gòu)安全性的影響，應(yīng)當(dāng)對(duì)甲板結(jié)構(gòu)在墜落物沖擊下的變形及損傷問(wèn)題進(jìn)行研究。與船－船碰撞相比，撞擊物尺寸小，被撞擊甲板的變形損傷的范圍較小，即使是小能量的墜落物沖擊也能造成較大的甲板結(jié)構(gòu)變形損傷，因此該問(wèn)題也引起眾多學(xué)者的重視。王醍等研究甲板板架在鉆桿跌落沖擊下的損傷行為，并總結(jié)出了板架穿透的臨界能量計(jì)算式。Zhou 等研究了沖擊角度對(duì)海洋平臺(tái)抗擊圓管墜落沖擊特性的影響。Liu 等研究了吊運(yùn)過(guò)程中當(dāng)油桶以不同的接觸角墜落于鉆井平臺(tái)甲板時(shí)對(duì)甲板結(jié)構(gòu)造成的損傷。杜之富、劉英芳等人也運(yùn)用有限元數(shù)值模擬方法研究了船舶結(jié)構(gòu)在管形墜落物沖擊作用下的結(jié)構(gòu)變形及損傷。

上述研究主要集中在圓管型墜落物對(duì)船舶及海工平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)的沖擊變形及失效，而對(duì)其他形狀墜落物的沖擊研究較少發(fā)表。對(duì)于工程船、科考船、海洋平臺(tái)等而言，在甲板上吊放的集裝箱也可能發(fā)生墜落，在集裝箱墜落載荷沖擊下甲板結(jié)構(gòu)的損傷規(guī)律也值得研究。為此，本文針對(duì)箱形墜落物沖擊作用下甲板結(jié)構(gòu)的變形及損傷行為進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)制造了兩種實(shí)尺度甲板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)試樣，運(yùn)用塔式?jīng)_擊試驗(yàn)裝置開(kāi)展低速?zèng)_擊試驗(yàn)，研究甲板結(jié)構(gòu)在三棱錐形沖頭墜落沖擊作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律，為甲板結(jié)構(gòu)的抗墜落物沖擊設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

墜落物沖擊試驗(yàn)研究的對(duì)象是實(shí)尺度的長(zhǎng)方形加筋板結(jié)構(gòu)。以某科考船甲板結(jié)構(gòu)為參照，設(shè)計(jì)并制備實(shí)尺度的長(zhǎng)方形加筋板試樣，其尺寸為2,800mm×2,100mm×15.6mm（板厚）；該 板沿長(zhǎng)度方向均勻布置3 根20 號(hào)球扁鋼作為加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋之間的間距為700mm。試樣四周焊接200mm×220mm×16mm 方管進(jìn)行加強(qiáng)，以模擬實(shí)船甲板縱桁及甲板強(qiáng)橫梁的邊界條件，如圖1（a）所示。試件底面開(kāi)孔與基座通過(guò)螺栓固定連接。考慮到板格結(jié)構(gòu)的跨中是結(jié)構(gòu)抗沖擊承載的薄弱部位，為不失一般性，將沖擊點(diǎn)設(shè)定在兩根扶強(qiáng)材之間板的中心位置。同時(shí)，為研究增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)甲板結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響，還設(shè)計(jì)制造了如圖1（b）所示的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在兩根扶強(qiáng)材的中間，設(shè)置一根與扶強(qiáng)材相垂直的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)同為20 號(hào)球扁鋼。

圖1 實(shí)尺度甲板結(jié)構(gòu)試樣

圖2 材料的名義應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

1.2 沖頭

采用三棱錐形沖頭以模擬傾斜跌落的集裝箱尖銳的角隅部位對(duì)甲板結(jié)構(gòu)的沖擊。如圖3所示，三棱錐相當(dāng)于集裝箱的一個(gè)切角，包含三個(gè)直角面和一個(gè)底面，其中直角面是兩腰長(zhǎng)度為200mm 的等腰直角三角形，底面是等邊三角形。考慮最典型的沖擊方向，即沖頭向下運(yùn)動(dòng)的方向與三棱錐的中心線重合，因此采用如圖3中所示的旋轉(zhuǎn)方向，將沖頭旋轉(zhuǎn)，使得三棱錐的底面與水平面保持平行，這樣即可保證沖擊方向與三棱錐的中心線重合。三棱錐由高強(qiáng)度模具鋼經(jīng)機(jī)加工制成，并進(jìn)行了淬火、回火處理，在沖擊試驗(yàn)中可將其視作剛體。沖頭在等邊三角形的底面上鉆有螺紋孔，通過(guò)螺紋與試驗(yàn)裝置相連接。

圖3 集裝箱切角示意與沖頭設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)裝置

跌落沖擊試驗(yàn)由塔式?jīng)_擊試驗(yàn)裝置完成。如圖4所示，試驗(yàn)裝置由軌道、安裝架、沖頭、配重、力傳感器及位移傳感器等組成。兩條軌道垂直安裝，為沖頭等提供垂直導(dǎo)向。沖頭與壓電式力傳感器相連接，并固定在安裝架下方；安裝架的左右兩側(cè)裝有小輪，小輪與軌道相接觸；安裝架的上方還可以安裝可調(diào)節(jié)的配重，可模擬不同重量的集裝箱跌落沖擊行為。試驗(yàn)前，提升機(jī)構(gòu)將安裝架連同沖頭、傳感器等提升至指定的高度，沖擊能量主要由提升高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)時(shí)，釋放機(jī)構(gòu)將沖頭等從空中釋放，沖頭等經(jīng)自由落體并沖擊下方的結(jié)構(gòu)試樣。

圖4 沖擊試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別對(duì)兩種實(shí)尺度甲板板架結(jié)構(gòu)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并比較結(jié)構(gòu)的塑性變形、失效模式、沖擊力-位移結(jié)果。在實(shí)際的甲板結(jié)構(gòu)抗沖擊考核中，考慮重量為14.8t 的集裝箱從0.3m 高度跌落的情形。然而，落錘沖擊塔試驗(yàn)裝置因承載能力限制，無(wú)法滿足14.8t 中的沖頭配重，因此必須對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行調(diào)整?？紤]到墜物沖擊屬于低速?zèng)_擊，應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)沖擊變形、失效模式、沖擊力響應(yīng)等結(jié)果的影響較小，因此在試驗(yàn)中可適當(dāng)?shù)亟档吐溴N的重量、提高落錘的沖擊速度，以符合沖擊能量相等的原則。經(jīng)調(diào)整配重，將落錘的重量調(diào)整至795kg，提升高度設(shè)定為5.6m，這樣即可保證試驗(yàn)沖擊能量與實(shí)際集裝箱墜落的能量保持一致。

2.1 變形及失效

在尖銳的三棱錐沖頭的沖擊作用下，原甲板板架結(jié)構(gòu)及增強(qiáng)型甲板板架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的面板撕裂破損現(xiàn)象，如圖5、圖6所示。圖5是原甲板板架結(jié)構(gòu)的損傷效果，從圖中可看出，由于沖擊點(diǎn)位于兩扶強(qiáng)材之間的面板的中部，面板的變形及損傷僅局限在兩扶強(qiáng)材之間的局部范圍內(nèi)，面板產(chǎn)生了花瓣?duì)钏毫炎冃?，且撕裂的形狀與三棱錐形沖頭的形狀保持一致。圖6是增強(qiáng)型甲板板架結(jié)構(gòu)的變形損傷效果，從圖中可看出增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)的變形及失效也局限在局部范圍之內(nèi)，并且其撕裂程度明顯小于原板架結(jié)構(gòu)的撕裂程度。

圖5 原甲板板架結(jié)構(gòu)沖擊失效變形

圖6 增強(qiáng)型甲板板架結(jié)構(gòu)沖擊失效變形

2.2 沖擊力-位移曲線

兩種試樣的沖擊力位移曲線結(jié)果表明，增強(qiáng)的扶強(qiáng)材結(jié)構(gòu)可大大提升甲板板架結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。圖7中列出了，兩種結(jié)構(gòu)在同一種沖頭沖擊下的沖擊力-位移響應(yīng)，增強(qiáng)型試樣的力增長(zhǎng)趨勢(shì)更為明顯，最大沖擊力提高了約50%，最大沖擊位移（沖深）則降低了約30%。對(duì)于無(wú)增強(qiáng)的原甲板板架結(jié)構(gòu)而言，在沖擊起始階段沖擊力增長(zhǎng)較快，但很快增長(zhǎng)幅度大幅下降。這是由于在尖銳的沖頭沖擊下，甲板結(jié)構(gòu)面板很快產(chǎn)生了局部撕裂。而隨著位移的進(jìn)一步增大，花瓣?duì)钏毫训牧鸭y長(zhǎng)度也進(jìn)一步增大，因此沖擊力仍能出現(xiàn)一定程度的增長(zhǎng)。沖擊的末尾階段，沖頭產(chǎn)生了回彈。相比之下，對(duì)于增強(qiáng)型甲板板架結(jié)構(gòu)而言，布置在背部且位于沖頭正下方的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)起到了較好的增強(qiáng)作用，甲板的面板不至于過(guò)早地被撕裂。同時(shí)，位于沖頭下方的增強(qiáng)構(gòu)件也參與變形吸能。兩種因素共同作用下，沖擊力在一定范圍內(nèi)維持了較高的增長(zhǎng)速度。隨著位移的進(jìn)一步增大，增強(qiáng)型甲板板架的面板也發(fā)生撕裂失效，沖擊力增幅放緩。同樣，在沖擊的末尾階段，沖頭也產(chǎn)生了回彈。

圖7 兩種甲板板架結(jié)構(gòu)的沖擊力-位移曲線試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文以科考船甲板結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)制備了實(shí)尺度甲板板架結(jié)構(gòu)試樣以及增強(qiáng)型甲板板架結(jié)構(gòu)試樣，設(shè)計(jì)制備了正三棱錐形的沖頭以模擬集裝箱角隅的墜落沖擊，搭建沖擊試驗(yàn)塔裝置完成了尖銳墜落物沖擊甲板板架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，得出的主要結(jié)論如下：

（1）尖銳墜落物對(duì)甲板結(jié)構(gòu)的損傷較為明顯；在尖銳的三棱錐墜落物沖擊下，即使較低的墜落高度也可能造成結(jié)構(gòu)的永久塑性變形及面板撕裂損傷；

（2）墜落物沖擊造成的甲板損傷通常僅在局部范圍內(nèi)；在尖銳的沖頭沖擊作用下，甲板面板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與沖頭形狀相吻合的花瓣?duì)钏毫炎冃危皇芄遣牡挠绊?，變形及撕裂僅發(fā)生在相鄰兩根扶強(qiáng)材之間的局部范圍之內(nèi)；

（3）增強(qiáng)的扶強(qiáng)材結(jié)構(gòu)可大幅提升甲板板架抗墜落物沖擊的能力；增強(qiáng)的扶強(qiáng)材結(jié)構(gòu)提高面板剛度，且自身也參與變形吸能，因此可大大提高甲板結(jié)構(gòu)的抗沖擊承載能力，可有效地減小塑性變形的程度及塑性變形的范圍。