被撞船速度對(duì)油船碰撞損傷發(fā)展形態(tài)的影響分析

張懷躍，溫小飛，池弘福

(浙江海洋學(xué)院海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江舟山 316021)

被撞船速度對(duì)油船碰撞損傷發(fā)展形態(tài)的影響分析

張懷躍，溫小飛，池弘福

(浙江海洋學(xué)院海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江舟山 316021)

采用了非線性有限元方法，模擬了撞擊船的不同航速條件下，在被撞船航速為0～15 kn航速范圍內(nèi)發(fā)生碰撞事故，被撞船雙殼船體結(jié)構(gòu)碰撞損傷的發(fā)展規(guī)律與形態(tài)特征。并分析了船-船碰撞過(guò)程中被撞船速度對(duì)雙殼船體碰撞損傷發(fā)展形態(tài)的影響，探索被撞船速度與被撞船內(nèi)外殼破損時(shí)刻、被撞船損傷吸收能量等之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

船舶碰撞；油船；被撞船速度；碰撞損傷；損傷發(fā)展

近年來(lái)海運(yùn)業(yè)在規(guī)模上、船舶數(shù)量上不斷發(fā)展，使得在內(nèi)河、沿海、遠(yuǎn)洋等航區(qū)的航行船舶數(shù)量日益增多，很多航線變得相對(duì)擁擠，給相關(guān)海域造成了很大的生態(tài)與環(huán)境保護(hù)壓力。有研究發(fā)現(xiàn),海洋環(huán)境污染中約有35%的污染物來(lái)自于船舶[1]。且據(jù)海事部門統(tǒng)計(jì)資料分析，2014年我國(guó)因碰撞造成的船舶噸位損失占各種事故總損失的19.5%。因此，在船舶碰撞事故中對(duì)船舶碰撞損傷發(fā)展形態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)與研究，對(duì)于避免海洋生態(tài)危機(jī)與海員生命財(cái)產(chǎn)安全而言具有重要意義。

在船舶碰撞損傷發(fā)展形態(tài)研究方面，已有許多學(xué)者做了大量探索。姜興家[2]等基于159 000 DWT油船研究了船舶碰撞位置和撞擊船速度對(duì)于船舶碰撞損傷發(fā)展的影響，但未考慮被撞船速度；劉超[3]等基于有限元仿真軟件研究了船舶碰撞過(guò)程中被撞位置的損傷情況，但未做對(duì)比；ZHANG等[4]研究了油船液艙對(duì)船舶碰撞損傷的影響；HARIS[5]，SUN[6]等提出了新的簡(jiǎn)化方法，研究了簡(jiǎn)化狀況下仿真與實(shí)際的偏差程度，為評(píng)估船舶的防撞性提供了依據(jù)；Gao[7],Tabri[8]等分別通過(guò)分析三種典型碰撞場(chǎng)景與解耦和耦合的方法研究了船舶碰撞的損傷形態(tài)；EHLERS等提出了一種結(jié)合仿真和分析的方法來(lái)研究船舶碰撞損害。在實(shí)船碰撞事故中，碰撞參數(shù)（撞擊位置、兩船速度、噸位和角度等）對(duì)船舶碰撞損傷發(fā)展都會(huì)產(chǎn)生不同影響；因此，進(jìn)一步研究被撞船速度對(duì)船舶碰撞損傷發(fā)展的影響具有較高的研究?jī)r(jià)值。本文以7 000D WT油船為研究對(duì)象，利用非線性有限元仿真軟件LS-DYNA分析與研究滿載工況的被撞船速度對(duì)船-船碰撞過(guò)程中被撞雙殼船體結(jié)構(gòu)碰撞損傷的發(fā)展規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型

船舶碰撞是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的、非線性響應(yīng)過(guò)程，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中各參數(shù)間存在相互關(guān)系，運(yùn)用非線性有限元數(shù)值仿真軟件為研究手段，對(duì)船舶碰撞進(jìn)行分析[3]。

1.1

根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)必然遵守質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒。

①質(zhì)量守恒方程

式中，ρ為變化后的質(zhì)量密度，kg/m3；V為變化后的體積，m3；ρ0為變化前的質(zhì)量密度，kg/m3；V0為變化前的體積，m3。

②動(dòng)量守恒方程

式中，σij,j是柯西應(yīng)力張量，N/m2；t是單位質(zhì)量的體積力，N/（kg·m2）是質(zhì)點(diǎn)加速度，m/s2。

③能量守恒方程

式中，E為變化后的能量，kj；εij為應(yīng)變率張量，m；Sij為偏應(yīng)力張量，N/m2；q為體積粘性阻力，N。

1.2 動(dòng)力學(xué)方程

根據(jù)虛功原理，可得到

在式（4）中，δxi在?b2上滿足所有邊界條件，并應(yīng)用散度定理可得：

其分部積分：

于是，可得出碰撞系統(tǒng)的控制方程：

對(duì)式（7）進(jìn)行離散化，得到離散方程為：

式中，M為總體質(zhì)量矩陣；x¨為總體節(jié)點(diǎn)加速度矢量；P為總體載荷矢量：由節(jié)點(diǎn)載荷面力、體力等組成；F為單元應(yīng)力場(chǎng)的等效節(jié)點(diǎn)力矢量（或稱為應(yīng)力散度）組成。

2 模型及模擬方案

2.1 幾何模型

雙殼船體結(jié)構(gòu)損傷是一個(gè)多尺度、非線性、復(fù)雜、動(dòng)態(tài)多階段發(fā)展過(guò)程，在數(shù)值計(jì)算時(shí)，需要考慮的因素也很多；其中計(jì)算機(jī)處理能力與模型模擬適應(yīng)性需要重點(diǎn)考慮，否則會(huì)導(dǎo)致一系列問(wèn)題，甚至無(wú)法進(jìn)行正常的數(shù)值計(jì)算。雙殼油船碰撞損傷發(fā)展主要涉及到船體結(jié)構(gòu)的失效形式、表征特征、發(fā)展規(guī)律及其影響因素，因此在建模過(guò)程中需要充分考慮到這些因素?；谠撍悸穼?duì)原型船（即7 000 DWT油船）的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，建立了如圖1所示的幾何模型，圖中A代表撞擊船，B代表被撞船；其具體簡(jiǎn)化處理手段包括：1）對(duì)于被撞船，采用一個(gè)油艙長(zhǎng)度的船體結(jié)構(gòu)來(lái)代替整船，不考慮被撞船重量，同時(shí)被撞船雙殼船體結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)大構(gòu)件結(jié)構(gòu)，而忽略小構(gòu)件；2）對(duì)于撞擊船，視為剛體，用原型船的首部結(jié)構(gòu)替代整船，其外形與原型船首部形狀一致，并通過(guò)密度調(diào)整法將整船的重量集中均勻分布在簡(jiǎn)化后的撞擊船；3）碰撞過(guò)程中，忽略水對(duì)船的作用；4）假設(shè)碰撞時(shí)間遠(yuǎn)小于船舶的運(yùn)動(dòng)周期，碰撞后兩船舶一起運(yùn)動(dòng)。

以7 000 DWT油船船體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行簡(jiǎn)化后撞擊船與被撞船的幾何尺寸如表1所示。

圖1 船舶碰撞模型幾何示意圖Fig.1 Geometry aketch of the ship collision model

表1 船舶模型的幾何尺寸Tab.1 Geometry size of the ship model

2.2 物性參數(shù)

根據(jù)雙殼船體結(jié)構(gòu)材料特點(diǎn)和LS-DYNA設(shè)置要求，將圖1中的撞擊船A采用了RIGID模型，而被撞船B物性參數(shù)設(shè)置采用了PLASTIC KINEMATIC模型，由于現(xiàn)實(shí)中制造船舶主要使用的是45號(hào)鋼，因此將材料的密度設(shè)為7 800 kg/m3、彈性模量設(shè)為210 GPa、泊松比設(shè)為0.3，其中被撞船的失效應(yīng)變?cè)O(shè)置為0.15。

2.3 碰撞方案

為了全面、系統(tǒng)研究被撞船速度對(duì)船舶碰撞損傷發(fā)展的影響，采用了如圖1所示的幾何模型，設(shè)計(jì)如表2所示的三個(gè)系列船舶碰撞模擬方案：將撞擊船的速度分別定為13節(jié)～15節(jié)共計(jì)三組，每組中又包含16個(gè)方案即被撞船速度從0節(jié)～15節(jié)。

表2 模擬方案表Tab.2 Models table

3 數(shù)值分析與討論

通過(guò)上述碰撞方案設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行一系列的計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)所得到的結(jié)果在內(nèi)外殼破損時(shí)刻點(diǎn)和內(nèi)外殼破損時(shí)刻點(diǎn)的碰撞能量上存在著明顯的規(guī)律性變化，并且船舶碰撞損傷的形態(tài)也隨著被撞船速度的變化而改變。因此在本節(jié)中具體分析與探討這三個(gè)方面的規(guī)律。

3.1 內(nèi)外殼破損時(shí)刻點(diǎn)

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，所得內(nèi)外殼破損時(shí)刻點(diǎn)的比較結(jié)果如圖2所示。由圖2分析可得：（1）在撞擊船較大速度撞擊的情況下，外殼破損時(shí)刻點(diǎn)隨兩船初速速度變化而改變的程度很小，基本趨于穩(wěn)定。其主要原因是在撞擊船速度較大的情況下，所具有的初動(dòng)能很大，而外殼破損所需要的能量遠(yuǎn)小于初動(dòng)能，因此在兩船接觸不久之后，外殼就會(huì)破損，不隨被撞船速度的變化而變化。（2）隨著被撞船速度的增加，內(nèi)殼破損的時(shí)刻點(diǎn)逐漸變小，并且內(nèi)殼破損的時(shí)刻點(diǎn)也隨著撞擊船速度的增加而減小。其主要原因是外殼破損到內(nèi)殼破損之間需要吸收大量能量，該能量占據(jù)了初能量的較大部分；因此，當(dāng)速度較小時(shí)消耗在被撞船結(jié)構(gòu)損傷的能量所占比重就大，從而導(dǎo)致撞擊船破壞內(nèi)殼時(shí)的能量就小了，從而延長(zhǎng)了內(nèi)殼破損時(shí)間。

圖2 內(nèi)外殼破損時(shí)刻曲線Fig.2 Damaged time curve of the double hull

3.2 內(nèi)外殼破損時(shí)刻點(diǎn)的能量分布特性

船舶碰撞過(guò)程中，被撞船和撞擊船之間的運(yùn)動(dòng)狀況和變形狀況都與船舶自身的動(dòng)能和內(nèi)能有關(guān)，因此分析船舶碰撞碰撞過(guò)程中動(dòng)能與能內(nèi)的變化情況是具有研究意義的。在本文中提取被撞船內(nèi)外殼破損時(shí)刻點(diǎn)這一特征點(diǎn)為研究對(duì)象，分析被撞船在各個(gè)被撞船速度下被撞船的動(dòng)能和內(nèi)能的變化情況，如圖3和圖4所示。從圖中可見(jiàn)：Ⅰ碰撞過(guò)程中，被撞船的動(dòng)能和內(nèi)能都有所增加，但是內(nèi)能起主導(dǎo)作用，占了被撞船總吸收能量80%左右；主要原因是船舶碰撞過(guò)程中以船體結(jié)構(gòu)破損及失效吸收撞擊船能量為主要形式。Ⅱ在不同撞擊船速度的情況下，內(nèi)外殼破損時(shí)被撞船所吸收的能量在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。Ⅲ隨著被撞船速度增加，內(nèi)殼破損時(shí)刻點(diǎn)被撞船所吸收內(nèi)能呈明顯下降趨勢(shì)，說(shuō)明在被撞船速度增加情況下被撞船吸能效果越差，其主要原因是受船舶剪切力的影響。

圖3 內(nèi)能-速度曲線（被撞船）Fig.3 Internal energy-velocity curve of Struck ship

圖4 動(dòng)能-速度曲線（被撞船）Fig.4 Kinetic energy-velocity curve of Struck ship

4 結(jié)語(yǔ)

被撞船速度對(duì)船舶碰撞存在著明顯的影響，其具體影響規(guī)律如下。

(1)船舶碰撞過(guò)程中隨著被撞船速度的改變，被撞船內(nèi)殼破損的時(shí)間和被撞船內(nèi)外殼破損時(shí)吸收的內(nèi)能與動(dòng)能均發(fā)生顯著的變化，因此在進(jìn)行船舶碰撞分析過(guò)程中不能忽略被撞船速度的影響。

(2)隨著被撞船速度的增加，由于發(fā)生撕裂式剪切破損將導(dǎo)致被撞船吸收的內(nèi)能明顯減少，舷側(cè)結(jié)構(gòu)吸能效果降低。

[1]江 璐,潘滬湘,袁海霞.我國(guó)海洋船舶污染現(xiàn)狀及防治措施[J].化工管理,2013(1):46-47.

[2]姜興家,張 鵬,吳文鋒.撞擊位置和初速度對(duì)被撞船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)的影響[J].中國(guó)航海,2012,35(2):76-80.

[3]劉 超,李范春.有限元仿真在船舶碰撞研究中的運(yùn)用[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2013,39(1):15-18.

[4]ZHANG A,SUZUKI K.A comparative study of numerical simulations for fluid-structure interaction of liquid-filled tank during ship collision[J].Ocean Engineering,2007,34:645-652.

[5]HARIS S,AMDAHL J.Analysis of ship-ship collision damage accounting for bow and side deformation interaction[J].Marine Structures,2013,32:18-48.

[6]SUN B,HU Z Q,WANG G.An analytical method for predicting the ship side structure response in raked bow collisions[J].Marine Structures,2015,41:288-311.

[7]GAO Z Q,HU Z Q,WANG G,et al.An analytical method of predicting the response of FPSO side structures to head-on collision[J].Ocean Engineering,2014,87:121-135.

[8]TABRI K.Influence of coupling in the prediction of ship collision damage[J].Ships and Offshore Structures,2012,7:47-54.

[9]EHLERS S,TABRI K.A combined numerical and semi-analytical collision damage assessment procedure[J].Marine Structures, 2012,28:101-119.

Analysis on Influence of the Struck Ship's Velocity on Damage Development of Oil Tankers'Collision

ZHANG Huai-yue,WEN Xiao-fei,CHI Hong-fu
(School of Shipping,Port&Civil Engineering,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

In this paper,different conditions of the impacting ship speed and the struck ship's speed is in the range of 0～15 kn have been simulated using the nonlinear finite element method,which shows the damage development regularity and characteristics of ship collision of the double hull struck ship.And analyzing the influences of the speed of struck ship on the damage development morphology of the double hull structure,exploring the intrinsic connection between the speed of struck ship and the time of double hull broken,the energy absorption of struck ship and etc.

ship collision;oil tanker;velocity of struck ship;collision damage;damage development

U663.4

:A

1008－830X(2015)06－0554－05

2015-08-10

張懷躍（1993-），男，研究方向：船舶安全與防污染.E-mail:923055347@qq.com