新型护舷并靠状态下低速碰撞性能评估比较

吴立洋，王华荣，张新福，黄海波

(1.中国人民解放军 92942 部队，北京 100161；2.中国船舶集团有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

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：

式中：Ci0为材料常数，由材料试验所确定；IC为3 个方 向伸长比的平方和。

1.2.2 气液混合型护舷材料模型

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]：

式中：υ12E1=υ21E2，υ31E3=υ13E1，υ23E2=υ32E3；E1，E2，E3分别为方向1，2，3的弹性模量；υ12，υ13，υ23分别为方向1 和2、方向1 和3、方向2 和3 的泊松比；G12，G13，G23分 别为方向1 和2、方向1和3、方向2和3剪切模量。

1.3 护舷模型

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的单体模型，如图1和图2 所示。

图1 潜没式护舷单体模型Fig.1 The single model of submerged fender

图2 气液混合型护舷单体模型Fig.2 The single model of hydro pneumatic fender

2 作业工况

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。

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。

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

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

3 计算分析

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。

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

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

图8 气液混合型护舷压缩量曲线Fig.8 Compression curve of the hydro pneumatic fender

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

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

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

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

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。

图13 气液混合型护舷压缩量曲线Fig.13 Compression curve of the hydro pneumatic fender

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

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。

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

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

图18 气液混合型护舷压缩量曲线Fig.18 Compression Curve of the hydro pneumatic fender

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

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。

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

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

图23 气液混合型护舷压缩量曲线Fig.23 Compression curve of the hydro pneumatic fender

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

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。