撞擊不同貨油艙對被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能影響

吳文鋒， 鄧術(shù)章， 宋修福

(1. 浙江海洋學(xué)院 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江 舟山 316022； 2. 山東交通學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院，山東 威海 264200)

撞擊不同貨油艙對被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能影響

吳文鋒1， 鄧術(shù)章2， 宋修福2

(1. 浙江海洋學(xué)院 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江 舟山 316022； 2. 山東交通學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院，山東 威海 264200)

以15.9萬噸級的滿載雙殼油船為研究對象，對以往研究經(jīng)常忽略的被撞船不同貨油艙被撞時對碰撞性能帶來的影響進(jìn)行分析。利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，分別對該船處于靜止?fàn)顟B(tài)下被撞時的碰撞損傷機(jī)理和耐撞性能進(jìn)行分析研究。通過對碰撞過程中產(chǎn)生的碰撞力、結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)吸能等進(jìn)行計算、比較、分析，闡述被撞船不同貨油艙被撞對結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及碰撞性能的影響。研究結(jié)果表明，撞擊不同貨油艙對被撞船的碰撞性能的影響是不一致的。

水路運(yùn)輸；船舶碰撞；貨油艙；舷側(cè)結(jié)構(gòu)；損傷機(jī)理；碰撞性能

根據(jù)勞氏船級社的統(tǒng)計，每年世界范圍內(nèi)發(fā)生的船舶碰撞事故在各類海損事故中的比例均大于10%。[1]1997—2008年，我國某引航機(jī)構(gòu)共發(fā)生各類水上交通事故231起，其中碰撞事故占54.98%。[2]由于碰撞事故時有發(fā)生，其帶來的后果又往往是災(zāi)難性的，因此有關(guān)船舶碰撞性能及結(jié)構(gòu)耐撞性的研究一直是海事領(lǐng)域重點研究的課題之一。

近年來，越來越多的學(xué)者開始致力于船舶碰撞性能及結(jié)構(gòu)耐撞性的研究。劉昆等[3]針對船首形狀對舷側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞性能進(jìn)行了研究，研究表明，撞擊船船首的形狀不同會對被撞船體結(jié)構(gòu)的碰撞性能產(chǎn)生明顯不同的影響。許文輝等[4]對傳統(tǒng)雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了碰撞數(shù)值仿真研究。高嵩等[5]運(yùn)用MSC Dytran對小型艇舷側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞損傷進(jìn)行了研究。國外學(xué)者[6-9]對碰撞性能亦展開了大量研究，并提出了多種耐撞性結(jié)構(gòu)。

由于船舶碰撞是一個非常復(fù)雜的過程，上述研究在對船舶碰撞進(jìn)行分析時，其基礎(chǔ)模型均是兩船發(fā)生垂直對中碰撞，并對碰撞性能及被撞船結(jié)構(gòu)的耐撞性能進(jìn)行一系列的分析。從船舶結(jié)構(gòu)的研究角度看，這樣做是偏安全的。但在實際的船舶碰撞過程中，被撞船的各貨油艙均有可能被撞擊(這是一個隨機(jī)事件)，而撞擊不同貨油艙給被撞船帶來的結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及碰撞性能是不一致的。

因此，通過有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對15.9萬噸級的滿載雙殼油船不同貨油艙被撞擊進(jìn)行定量化的分析研究，闡述被撞船不同貨油艙被撞時對碰撞性能產(chǎn)生影響的一般規(guī)律。

1 碰撞方案

由于影響船舶碰撞的因素非常多，僅對撞擊船垂直撞擊處于靜止?fàn)顟B(tài)下的被撞船的不同貨油艙時，對被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能造成的影響進(jìn)行研究。

撞擊船采用15萬噸級的球鼻艏突出型船舶，被撞船為15.9萬噸級的滿載雙殼油船，撞擊船初速度為5 m/s，碰撞方案見圖1。

圖1 碰撞方案

2 有限元模型的建立

撞擊船船首采用與實際一致的彈塑性材料，并增加一些內(nèi)部構(gòu)件。為保證撞擊船質(zhì)量、重心不變，在船首后側(cè)增加一個附加質(zhì)量[10](見圖2)。

考慮到船舶碰撞的局部性，將被撞船簡化為貨油艙形式。假設(shè)15.9萬噸級的雙殼油船有10個貨油艙，參與碰撞的貨油艙的密度、厚度及相關(guān)構(gòu)件按實際結(jié)構(gòu)來建模，其余9個艙用于分布整船質(zhì)量，并保證船的質(zhì)量、重心等與實際一致。考慮到模型的對稱性，僅分析3個貨油艙(見圖3)分別被撞擊的情形，其中第1艙為緊鄰船首或船尾的貨油艙。圖3表示的是中間貨油艙參與碰撞時被撞船的模型。

利用附連水質(zhì)量考慮水對碰撞歷程的影響，附連水以附加密度的形式加到相撞的船體上。[11]采用SHELL單元進(jìn)行模擬，對發(fā)生碰撞的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，對非碰撞區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格粗化。材料模型采用考慮應(yīng)變率敏感性的Cowper-Symonds本構(gòu)方程，最大失效應(yīng)變?yōu)?.15。對參與碰撞的結(jié)構(gòu)采用主從接觸算法，并對被撞船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)及撞擊船船首定義自動單面接觸。

3 仿真實驗結(jié)果分析

3.1碰撞力

通過仿真實驗，得到碰撞力曲線的比較結(jié)果(見圖4)。通過觀察可發(fā)現(xiàn)：

1) 撞擊第1貨油艙時，曲線比較光順，非線性特征不明顯，且在撞擊船位移為4.5 m以后，碰撞力開始持續(xù)下降。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是，在該情形下，被撞船被撞擊后的漂移速度較大，導(dǎo)致船首與舷側(cè)結(jié)構(gòu)接觸的時間太短。

2) 撞擊船位移在1.25 m之前時，3條曲線的變化趨勢以及數(shù)值基本上是一致的。這是因為碰撞初始階段，造成被撞船的漂移速度幾乎是一致的，且船首接觸的舷側(cè)構(gòu)件是一致的。

3) 撞擊第2貨油艙和中間艙時，碰撞力的變化趨勢及數(shù)值都比較相似。這是由于撞擊船在撞擊這2個區(qū)域時，被撞船的漂移速度較小，給被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)帶來的損傷面積、變形形式以及損傷程度均較為接近，因此碰撞力差別不大。

4) 撞擊中間艙時，曲線發(fā)生了2次明顯的卸載，分別代表內(nèi)外殼發(fā)生了破裂；撞擊第2貨油艙時，只發(fā)生了1次明顯的卸載，代表外殼發(fā)生破裂；撞擊第1貨油艙時未發(fā)生明顯的卸載，表明在該情形下，未能將內(nèi)外殼撞破。

圖4 碰撞力-撞擊船位移曲線

3.2被撞船的漂移速度

船舶發(fā)生碰撞會導(dǎo)致被撞船發(fā)生漂移，圖5表示的是被撞船漂移速度及撞擊船速度隨撞擊船位移的變化曲線。從圖中可以看出：

1) 撞擊船下降速度幾乎一致，說明撞擊船消耗的動能幾乎一致，消耗的動能被轉(zhuǎn)化成被撞船的動能、相撞船舶的內(nèi)能以及其他能量；不過，撞擊不同貨油艙時被撞船的漂移速度不一致。通過曲線可判定，撞擊第1貨油艙時，對被撞船的損害是最小的；同理可知，撞擊中間艙時，對被撞船的損害最大。

2) 撞擊第1貨油艙時，被撞船的漂移速度一直在持續(xù)增長，且在撞擊船位移gt;4.5 m后，漂移速度大于撞擊船的速度。這恰好反映了撞擊第1貨油艙時，碰撞力曲線在該位移之后開始持續(xù)下降。

3) 撞擊第2貨油艙及中間艙時，被撞船的漂移速度曲線比較接近，從而導(dǎo)致船首與舷側(cè)構(gòu)件接觸的時間及順序幾乎一致，因此撞擊這2個貨油艙時的碰撞力相差不大。

4) 從運(yùn)動學(xué)角度看，撞擊第1貨油艙時，由于接觸點受到的力距離被撞船的質(zhì)心最遠(yuǎn)，導(dǎo)致被撞船產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)動力矩。這也是撞擊第1貨油艙時漂移速度比其余2個工況大許多的主要原因。

圖5 被撞船的漂移速度與撞擊船位移曲線

3.3能量轉(zhuǎn)換

圖6和圖7是撞擊不同貨油艙情形下的被撞船能量吸收及撞擊船船首能量吸收的仿真實驗結(jié)果曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

1) 撞擊中間艙時，被撞船的吸能曲線一直處于上升狀態(tài)。

2) 撞擊第2貨油艙和中間艙的撞擊船吸能曲線的走勢及大小相差無幾。

3) 位移為4.5 m以后，撞擊第1貨油艙時被撞船的吸能曲線開始下降，這是由于從該時刻起，撞擊船的速度比被撞船的漂移速度低，以致相撞的2艘船逐漸脫離開。

4) 撞擊第2貨油艙時，被撞船的吸能曲線在碰撞快要結(jié)束的后期有稍向下走的趨勢，原因與第1貨油艙吸能曲線下降的原因一致。

5) 撞擊船船首的吸能曲線幾乎一致呈上升趨勢。

6) 撞擊第1貨油艙時，船首的吸能較其他2類情形要低許多，這是由于在該情形下，被撞船漂移速度較大。

7) 在2.5～3 m之間，撞擊第2貨油艙和中間貨油艙的撞擊船吸能曲線出現(xiàn)了明顯的卸載，在位移為5.25 m時，撞擊中間貨油艙的撞擊船吸能曲線亦出現(xiàn)了卸載，這類現(xiàn)象與碰撞力曲線是一致的。

圖6 被撞船吸能與撞擊船位移曲線

圖7 船艏吸能與位移曲線

3.4損傷變形

圖8是在仿真實驗結(jié)束后，內(nèi)外殼及十字框架的損傷變形圖。從圖中可以直觀地看出：

1) 撞擊中間艙時，對被撞船的危害是最大的，第2貨油艙次之，撞擊第1貨油艙帶來的危害最小。

2) 撞擊第1貨油艙時，內(nèi)外殼未發(fā)生破裂，十字框架出現(xiàn)了破損，可見十字框架是一個重要的吸能構(gòu)件。值得注意的是，通過對舷側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖進(jìn)行觀察可知，在該工況下，內(nèi)殼即將發(fā)生屈曲變形，這是碰撞力被十字框架傳遞的效果，可見十字框架不是總利于減緩船側(cè)碰撞損傷。

3) 撞擊第2貨油艙、中間艙時，外殼發(fā)生大面積彎曲、薄膜拉伸和撕裂，因此可以通過增加外殼板減輕這類變形，從而改進(jìn)船舶耐撞性。

4 結(jié) 語

為分析撞擊船垂直撞擊不同貨油艙時被撞船受到的影響，針對15.9萬噸級的雙殼油船制定了相應(yīng)的碰撞方案，對各碰撞方案下的碰撞力、變形、結(jié)構(gòu)吸能等進(jìn)行了詳細(xì)的分析比較，并研究了其損傷機(jī)理及耐撞性能。得出的結(jié)論有：

撞擊第1貨油艙

撞擊第2貨油艙

撞擊中間艙

圖8 內(nèi)外殼、強(qiáng)橫框架損傷變形圖

1. 當(dāng)撞擊船垂直撞向緊鄰船首或船尾的貨油艙時，被撞船的橫漂速度最大，且速度增長最快，因此對被撞船造成的損傷最小。

2. 在船舶碰撞過程中，由于被撞船會發(fā)生轉(zhuǎn)動，且撞擊不同貨油艙時其轉(zhuǎn)動速度不一致，因此對被撞船所造成的損失亦不盡相同。根據(jù)研究，從偏安全的角度而言，在分析船舶結(jié)構(gòu)耐撞性時可針對撞擊中間艙進(jìn)行研究。

3. 當(dāng)相遇的2艘船無法避免碰撞發(fā)生時，應(yīng)及時采取適當(dāng)操作，盡量避免船舶發(fā)生垂直對中碰撞。

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CollisionResistanceofSideStructureofOilTankerHoldVarieswithHitPosition

WUWenfeng1,DENGShuzhang2,SONGXiufu2

(1.School of Shipping and Ports Architecture Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China; 2.Maritime College, Shandong Jiaotong University, Weihai 264200, China)

The effect of collision on the double-sided structure of 159,000 of oil tanker at full load condition is studied. The nonlinear finite element software, ANSYS/LS-DYNA, is used to investigate the collision damage mechanism and crashworthiness of this tanker when it is hit at its different cargo holds while the tanker has no speed. The collision force, deformation and energy absorbing are computed, and the results are compared. The comparison indicates that colliding different cargo hold will cause different collision effect, which is the fact sometimes wrongly ignored.

waterway transportation; ship collision; oil tanker hold; side structure; damage mechanism; collision effect

2014-04-15

浙江海洋學(xué)院科研啟動經(jīng)費(fèi)資助

吳文鋒(1984—), 男, 江西上饒人，講師，博士，從事船舶安全與海損事故風(fēng)險研究。E-mail: wuwenfeng0611@126.com

1000-4653(2014)03-0076-04

U661.42

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