漁船與碼頭碰撞的仿真分析

張兆德，張 彥

（1. 浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316000；2. 浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316000）

0 引 言

由于漁船數(shù)量不斷增加，并且進(jìn)出港頻繁，漁船與碼頭端部碰撞的風(fēng)險(xiǎn)在持續(xù)增加，導(dǎo)致碰撞事故頻頻發(fā)生。碰撞事故不僅影響漁船安全，也會(huì)給碼頭造成危險(xiǎn)，故有必要對(duì)漁船與碼頭的碰撞損傷情況進(jìn)行研究，一方面有利于漁船結(jié)構(gòu)的耐撞設(shè)計(jì)，另一方面還可以對(duì)海損事故進(jìn)行評(píng)估。

目前對(duì)船與碼頭碰撞問題的研究因碼頭結(jié)構(gòu)不同而有所區(qū)別。王翔等[1]采用流固耦合法對(duì)靠泊船舶跟浮式碼頭的碰撞進(jìn)行了模擬仿真；張穎[2]采用ANSYS/LS-DYNA程序建立有限元仿真模型，并考慮土的彈塑性以及樁土流固耦合作用，研究了結(jié)構(gòu)剛度、船舶質(zhì)量、初始速度、撞擊角度以及橡膠護(hù)舷對(duì)高樁碼頭所受碰撞力的影響；張淑華等[3]對(duì)5000噸級(jí)雜貨船撞擊3萬t泊位高樁碼頭做了仿真分析，并研究碰撞中的能量轉(zhuǎn)化情況和作用力；鄧?yán)罪w等[4]以3萬噸級(jí)散貨船平行靠泊高樁碼頭為例模擬了船舶撞擊碼頭的全過程，并研究了碰撞中的動(dòng)力響應(yīng)以及碼頭損傷情況；陸志慧等[5]對(duì)8.5萬t集裝箱船跟鋼管板樁碼頭碰撞進(jìn)行了數(shù)值模擬，并研究了不同速度下的碼頭撞擊情況。李磊等[6]對(duì)漁船與橋墩的碰撞過程進(jìn)行了模擬，分析了速度、質(zhì)量對(duì)碰撞的影響。本文借助Patran/Dytran軟件對(duì)漁船與碼頭的碰撞過程進(jìn)行了仿真分析，用以研究漁船碰撞特性。

1 有限元模型

1.1 漁船模型

漁船排水量為520t，漁船總長47.60m，型深3.70m，型寬7.00m，設(shè)計(jì)吃水為2.90m，設(shè)計(jì)航速11kn。漁船船首采用細(xì)化的網(wǎng)格，包括外板、橫框架、縱框架、甲板等[7]；而船體中后部遠(yuǎn)離碰撞區(qū)網(wǎng)格劃分比較粗，這部分受碰撞影響小，變形也小，僅建立外板殼單元，并采用剛性材料。全船質(zhì)量分布在船體各個(gè)單元上，并且重心位于中縱剖面上。漁船結(jié)構(gòu)與板厚等均與實(shí)船一致。漁船速度為 5.66m/s。漁船有限元模型見圖 1?？紤]船舶周圍流體介質(zhì)對(duì)碰撞的影響主要通過附連水質(zhì)量體現(xiàn)，附連水質(zhì)量以附加質(zhì)量密度形式施加到船體上。漁船模型主要做進(jìn)退運(yùn)動(dòng)，故只考慮進(jìn)退運(yùn)動(dòng)方向的附連水質(zhì)量取0.02～0.07m[8]（m為漁船質(zhì)量）。

1.2 碼頭模型

碼頭為桁架式，采用框架高樁結(jié)構(gòu)形式。碼頭長度為 25.2m，承臺(tái)共有 10根直樁，每根樁的直徑為φ1m，每根樁的長度為35m，上承臺(tái)端截面尺寸9.0m×0.5m，下承臺(tái)端截面尺寸9.0m×0.8m。由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成，并且主要采用C30混凝土材料。后方上承臺(tái)端面與擋土墻連接，建模時(shí)不考慮其與擋土墻之間的作用，對(duì)其施加端面垂向約束來代替。模型忽略樁腿與土體相互作用，用樁端施加固定約束代替。碼頭模型采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元。因?yàn)檠芯繉?duì)象主要是漁船，故對(duì)碼頭有限元模型進(jìn)行簡化處理，計(jì)算中為考慮混凝土中鋼筋的影響。碼頭有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型

1.3 材料模型

漁船首部是主要的撞擊損傷部位，采用彈塑性材料模型，中后部遠(yuǎn)離碰撞區(qū)則采用剛性材料?？紤]到應(yīng)變率對(duì)材料的影響，所采用的材料本構(gòu)關(guān)系式如下：

碼頭材料模型選用的是混凝土帽蓋模型[12]（見圖2），該模型能夠反映混凝土材料在碰撞中的變化?；炷劣邢拊Ｐ偷牟牧蠀?shù)有：材料密度ρ為 2700kg/m3；剪切模量G為1.1× 1010N/m3；體積模量K為1.4× 1010N/m3；破壞包絡(luò)線參數(shù)α為2.7× 107；破壞包絡(luò)線線性參數(shù)θ為0.11；破壞包絡(luò)線指數(shù)參數(shù)γ為8× 106；破壞包絡(luò)線指數(shù)β為1.4× 10-7；硬化帽面長短軸比R為4.43；硬化法則指數(shù)D為4.6×10-10；硬化法則系數(shù)W為0.42；硬化法則指數(shù)X0為1.1×108。

圖2 混凝土帽蓋模型

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 碰撞能量轉(zhuǎn)化

漁船與碼頭碰撞系統(tǒng)的總能量來自兩個(gè)方面：1) 漁船本身的動(dòng)能；2) 附連水質(zhì)量所提供的動(dòng)能。圖3為能量時(shí)間曲線。從該曲線圖上可看出碰撞開始前系統(tǒng)總能量為8.51×106J，碰撞發(fā)生后系統(tǒng)的動(dòng)能迅速減小，而系統(tǒng)的變形能迅速增加，系統(tǒng)的沙漏能也逐漸增大，當(dāng)碰撞結(jié)束后，系統(tǒng)各能量趨于穩(wěn)定。從碰撞開始到漁船與碼頭分離時(shí)即0.926s（撞擊力為零的時(shí)刻）時(shí)刻系統(tǒng)動(dòng)能損失了8.44×106J，系統(tǒng)中漁船和碼頭的塑性變形能是 7.65×106J，占動(dòng)能損失的 90.64%，另一小部分大約 9.36%的動(dòng)能則損失在沙漏能、阻尼能和摩擦能中。另外，系統(tǒng)中沙漏能占總能量比值低于10%，滿足沙漏能控制要求，本模擬計(jì)算結(jié)果有效。

由圖3可知，碼頭變形能很小，是由于碼頭剛性比漁船剛性強(qiáng)，在碰撞過程中產(chǎn)生的塑性變形比較小，吸收的能量少，由此可得出碰撞中吸收的能量主要還是來自于漁船首部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的塑性變形，而碼頭吸收的能量相對(duì)于漁船來說非常少。

2.2 船首構(gòu)件吸能情況

為了更好地研究漁船的碰撞損傷特性，有必要對(duì)船首構(gòu)件吸能情況進(jìn)行分析。圖4為漁船船首各構(gòu)件的變形能時(shí)程曲線，該曲線圖反映了漁船在撞擊碼頭的過程中船首各構(gòu)件隨時(shí)間變化的能量吸收情況。從圖4可知，各構(gòu)件在碰撞中隨時(shí)間的推移，吸能逐漸增加；圖4中顯示外板的吸能最多，說明外板是最主要的吸能構(gòu)件，其次是橫框架、甲板、縱框架；碰撞初期甲板未參與到碰撞中并未產(chǎn)生變形，故吸能很小，隨著碰撞進(jìn)行，甲板逐漸遭到變形失效，吸能漸漸增加，最后反超縱框架，說明后期甲板單元越來越多地參與到碰撞中；同時(shí)也反映出構(gòu)件吸能的先后順序：外板，縱框架，橫框架，甲板。

圖3 能量-時(shí)間曲線

圖4 漁船船首各構(gòu)件變形能-時(shí)間曲線

以撞擊力減小為0作為碰撞結(jié)束時(shí)刻（即0.926s時(shí)刻），漁船船首各構(gòu)件的吸能情況見表1，充分反映了船首各構(gòu)件的吸能情況。說明在后期漁船船首結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)船首構(gòu)件吸能特點(diǎn)合理增厚主要吸能構(gòu)件厚度以增強(qiáng)船首剛度、減小船首碰撞損傷。

表1 船首構(gòu)件吸能占船首總吸能百分比

2.3 碰撞力

碰撞發(fā)生的時(shí)間極短，在碰撞進(jìn)行的過程中，模型中不斷地有構(gòu)件、單元的失效或破壞發(fā)生，在圖5曲線上表現(xiàn)出不斷地上下起伏即為船首結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多次的卸載現(xiàn)象，同時(shí)也反映漁船碰撞具有很強(qiáng)的非線性特性。碰撞開始時(shí)首先接觸的是船艏舷墻外板，船艏舷墻外板參與抵抗，使碰撞力快速增大，但隨著舷墻外板遭受變形失效，首部舷墻結(jié)構(gòu)的剛度也不斷減小，碰撞力也會(huì)不斷降低。隨著碰撞的持續(xù)進(jìn)行，首部舷墻的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)如縱框架、內(nèi)層板，以及附近的舷墻型材等開始逐漸參與到碰撞中，碰撞力又開始逐漸增加；在0.447s后，這些構(gòu)件中的單元開始逐漸變形或失效，碰撞力逐漸減?。辉?.67s后，甲板部位構(gòu)件參與到碰撞中，碰撞力又迅速增加，當(dāng)達(dá)到一定值后甲板單元又開始出現(xiàn)變形失效，碰撞力又再次逐漸減小≈0。從碰撞力時(shí)程曲線圖上可以看出碰撞力的最大值為7.216MN，碰撞力最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為0.447s。

圖5 碰撞力-時(shí)間曲線

2.4 變形

2.4.1 漁船船首變形

漁船在碰撞過程中船首會(huì)遭到塑性變形失效，主要發(fā)生在船首碰撞接觸區(qū)，而遠(yuǎn)離碰撞區(qū)的構(gòu)件基本沒有發(fā)生塑性變形。隨著碰撞地進(jìn)行，損傷區(qū)逐漸加大，最先遭受損傷的是外板，接著是船首舷墻部位構(gòu)件，最后是甲板及甲板構(gòu)件，逐層變形失效。圖6依次為0.03s、0.1s、0.2s、0.4s、0.782s及0.9s各個(gè)時(shí)刻漁船船首變形云圖，反映出隨著位移的不斷增大，船首變形越來越大，船首逐漸被壓潰到船體中。云圖中顯示漁船的最大變形是在0.782s（漁船速度≈0），最大變形為2.52m。

圖6 漁船首部變形云圖

2.4.2 碼頭變形

通過計(jì)算分析得出，碼頭在碰撞中產(chǎn)生的變形與位移比漁船小很多。如圖7所示為0.782s時(shí)刻（漁船速度已≈0）碼頭的變形云圖，此時(shí)碼頭的最大位移僅為98.8mm，可見變形很小，基本不再對(duì)碼頭產(chǎn)生較大損傷，主要原因是碼頭的剛度比漁船剛度大。

圖7 碼頭變形云圖

圖8 碼頭應(yīng)力云圖

2.5 碼頭應(yīng)力

通過計(jì)算結(jié)果分析得知：碼頭應(yīng)力較大的區(qū)域?yàn)樽矒舳恕⑸喜颗c擋土墻連接處的固定端、樁腿下端部以及樁腿上端部。撞擊端產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)是由于碰撞造成的集中載荷引起的，此應(yīng)力區(qū)可能造成混凝土材料斷裂失效，對(duì)平臺(tái)造成損傷。遠(yuǎn)離碰撞區(qū)的上部固定端產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)是由于碰撞中產(chǎn)生的撞擊力對(duì)碼頭擠壓造成的。樁腿上端部產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)是由于碰撞使其向后傾斜彎曲造成的。樁腿下部的高應(yīng)力區(qū)是由于碰撞使其受拉導(dǎo)致的。碼頭的最大應(yīng)力出現(xiàn)在碰撞區(qū)附近，最大應(yīng)力值為2.40MPa（見圖8），而C30混凝土材料的抗壓強(qiáng)度約為20MPa，可見撞擊時(shí)碼頭的結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于破壞應(yīng)力，碼頭在碰撞過程中不會(huì)破壞。

3 結(jié) 語

1）碰撞過程中，漁船船首損傷變形較大，碼頭損傷變形較小，系統(tǒng)損失的動(dòng)能主要是轉(zhuǎn)化為變形能，另一小部分損失在沙漏能、阻尼能及摩擦能中；

2）在漁船船首構(gòu)件吸能方面，外板是主要的吸能構(gòu)件，其次是橫框架、甲板、縱框架；并且構(gòu)件吸能具有一定的先后順序，即外板，縱框架，橫框架，甲板。整個(gè)碰撞中，漁船的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為船首外板的變形能。碼頭吸能很小，基本可以忽略；

3）碰撞中碼頭高應(yīng)力區(qū)的產(chǎn)生是由碰撞力引起的，最大應(yīng)力主要集中在碰撞接觸區(qū)附近，其最大值遠(yuǎn)小于規(guī)范的計(jì)算值，碼頭偏于安全；

4）漁船與碼頭的碰撞不同于其他船舶的碰撞。由于漁船噸位一般較小以及碼頭剛度比漁船剛度大等因素，碰撞過程中往往損傷較大的是漁船，并且漁船船首舷墻外飄較大，首先受到撞擊的是舷墻，最后遭到碰撞損傷的是甲板結(jié)構(gòu)，這是有別于其他船舶碰撞的；

5）通過對(duì)漁船與碼頭的碰撞模擬分析，在后期漁船船首結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)漁船碰撞特性、船首構(gòu)件吸能特性及吸能先后順序，對(duì)主要吸能構(gòu)件合理增加厚度以提高船首剛度，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以減小船首損傷變形；同時(shí)也為漁船海損評(píng)估提供參考。

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