7 m高速三體客船碰撞性能分析研究

宋文明，王 晞，陳艷春

（泰州市地方海事局，江蘇泰州 225300）

7 m高速三體客船碰撞性能分析研究

宋文明，王 晞，陳艷春

（泰州市地方海事局，江蘇泰州 225300）

文章借助動態(tài)非線性有限元軟件MSC.Dytran，模擬7 m高速三體客船整船結(jié)構(gòu)，在主體和附體分別撞擊剛性體（碼頭或橋墩）的方案下，研究其在結(jié)構(gòu)損傷變形、位移與速度、碰撞力以及能量吸收等方面的性能，為船體結(jié)構(gòu)加強提供參考。

高速；三體船；碰撞性能

0 引言

船舶碰撞是一個十分復(fù)雜的過程，包含了以大撓度和大轉(zhuǎn)動為特征的幾何非線性、以材料的塑性變形為特征的材料非線性和以接觸為特征的邊界非線性，因此對船舶碰撞過程進行理論模型的建立非常困難。同時進行實船的碰撞試驗又不現(xiàn)實，隨著數(shù)值計算以及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值仿真成為解決此問題的首選。數(shù)值仿真技術(shù)可以精確地對船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行建模分析，并可以得到力、能量和損傷變形等隨時間變化的狀態(tài)，以便對整個碰撞過程進行更深入的分析。本文借助動態(tài)非線性有限元軟件MSC.Dytran，模擬7 m高速三體客船整船結(jié)構(gòu)，在主體和附體分別撞擊剛性體（碼頭或橋墩）的方案下，研究其在結(jié)構(gòu)損傷變形、位移與速度、碰撞力以及撞擊船和被撞船結(jié)構(gòu)能量吸收等方面的性能[1]。

1 碰撞結(jié)構(gòu)的選取

7 m高速三體客船為全玻璃鋼材料，采用189樹脂為粘結(jié)劑，無堿無捻正交布為增強材料。船體為單殼縱骨架式，全船肋距300 mm，艉～#3為機艙，#3～#11為駕駛乘員艙，#11～艏為艏尖艙。總長7.00 m，船長7.08 m，型寬1.26 m，型深1.10 m，吃水0.40 m，排水量1.816 t。本文考慮船體模型的總重量、重心位置和慣性矩等跟碰撞相關(guān)的物理特性與實船一致，由于船船碰撞多發(fā)于船舶球鼻艏及船舶首部區(qū)域，在建模過程中，考慮這一部分船體結(jié)構(gòu)模型與實船完全一致，一些小型構(gòu)件，如小肘板、角隅過渡、不規(guī)則的開孔隔板等采取了一定程度的簡化處理，經(jīng)過對船舶模型的多次試算及優(yōu)化，取得了良好的計算效率，可以達到理想的計算效果[2]。由于7 m高速三體客船由船體、附體以及連接橋組成，建模過程考慮整船建模。船舶有限元模型如圖1所示。

材料采用線性強化彈塑性模型，考慮材料應(yīng)變率敏感性，有關(guān)數(shù)據(jù)有：彎曲彈性模量E=9 840 N/mm2；剪切模量E=7 000 N/mm2；泊松比μ=0.3；材料密度ρ=1 600 kg/m3；最大塑性失效應(yīng)變?yōu)?.3。

碰撞計算過程中需要采用兩種接觸算法，船船直接發(fā)生碰撞接觸的如船體外板接觸定義為主—從接觸，而船體內(nèi)部各構(gòu)件之間定義為自身接觸算法。

由于船舶縱向運動時附連水質(zhì)量mxx相對船體質(zhì)量m而言非常小，可以將附連水質(zhì)量直接施加到船體模型質(zhì)量上。Motora[3]發(fā)現(xiàn)縱蕩下的附連水質(zhì)量大約在船體質(zhì)量的 0.02～0.07倍之間。本文將附連水質(zhì)量系數(shù)取0.05。因此，在船冰碰撞中，船舶的質(zhì)量為：Mship=mship+mxx=(1+0.05)mship，其中，mship為實際船舶的排水量。該船舶的實際排水量為1.816 t，故Mship=1.05×1.816=1.9 (t)。所以本船模型重量為1.9 t。

2 碰撞方案

船體有限元模型的單元數(shù)為3 652個，節(jié)點數(shù)為2 698個?？紤]到高速船如果來不及躲避，主體和附體會撞擊到碼頭或是橋墩等一些硬性物體上，從而導致船體結(jié)構(gòu)破損以及人員傷亡，所以本節(jié)利用大型非線性有限元動態(tài)響應(yīng)分析軟件MSC.Dytran對所建立的碰撞模型進行數(shù)值仿真計算。假設(shè)船舶之間有10 mm的初始距離，船舶以25 kn（12.86 m/s）的初速度撞擊剛形體，具體方案主要有兩種：方案I是三體船的主體以12.86 m/s的速度正向撞擊剛形體（見圖2）；方案II是三體船的附體以12.86 m/s的速度正向撞擊剛形體（見圖3）。

3 方案I的碰撞性能分析

3.1 損傷變形

經(jīng)過3個小時的計算，得到了碰撞發(fā)生0.3 s 后7 m高速三體客船船首的損傷變形圖，碰撞結(jié)果見圖4。從圖4可看出：

1）撞擊船船首碰撞損傷區(qū)域主要集中在船的艏部。隨著速度的增加，船首的損傷變形愈加嚴重，撞深隨之增加，損傷區(qū)域也隨之變大。

2）一方面撞擊船的外板與剛形體直接接觸發(fā)生碰撞，同時船舶甲板也會與被撞擊船發(fā)生碰撞，造成船體艏柱嚴重損傷和變形。因此，要提高船舶的耐撞性能，除了甲板的耐撞性以外，還需要考慮對艏柱進行加強，以提高整個艏部的耐撞性能。

3.2 撞擊船的速度及位移

本次仿真使撞擊船以12.86 m/s的初速度運動0.3 s，得到計算結(jié)束時刻下的撞擊船速度變化，反映該船舶碰撞方案下，船體首部外板和甲板破裂后撞擊船仍具有較高的速度，碰撞損傷繼續(xù)發(fā)展，由于撞擊船本身質(zhì)量較大，初始動能巨大，對結(jié)構(gòu)破壞損傷能力較強。

圖5是撞擊船的速度—時間的變化曲線。從圖中可以看出：

1）在船舶撞擊被撞船的過程中，由于碰撞區(qū)域發(fā)生在船體的端部，雖然端部整體結(jié)構(gòu)較強，但由于整體尺寸相對船體橫剖面來說仍然較小，剖面模數(shù)較小，在外板破裂后，內(nèi)部構(gòu)件的耐撞能力較差，因此，船船碰撞對船的速度變化沒有產(chǎn)生非常明顯的影響，船舶依然具有較大的動能，以較高速度繼續(xù)向前運動。

2）隨著碰撞的進行，甲板、船底板以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)都參與碰撞，對船舶速度的阻礙作用越來越大，速度呈現(xiàn)明顯下降趨勢。

為了考察船舶在碰撞過程中位移的變化情況，在船舶尾端選取一點作為船舶位移變化的監(jiān)測點。選取艉部上某點作為監(jiān)測點主要是考慮到艉部遠離艏部碰撞區(qū)域，受船體構(gòu)件局部變形的影響較小，能夠比較準確地反映該船舶的整體位移特性[4]。經(jīng)有限元計算獲得該點在碰撞過程中的位移變化值。如圖6所示，曲線反映了撞擊船位移變化，可以看出：

1）撞擊船的位移曲線呈上升趨勢，隨著碰撞的進行，曲線變化斜率越低，說明碰撞受到的阻礙也越大。

2）從圖6中可以看到艉部上某點作為監(jiān)測點的縱向坐標位于模型的艉部，位移變化量為2 m。

3.3 碰撞力

圖7為撞擊船與剛性板之間的碰撞力曲線。從圖中可以看出：

1）碰撞力曲線總體上具有明顯的非線性，呈多峰狀態(tài)，且峰值處為船體接觸區(qū)域的主要構(gòu)件失效時刻。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，峰值中的最大值與外板破裂時刻相吻合，從圖7中可以獲得外板破裂的碰撞力。

2）在t=0.1 s時，碰撞力達到極值7.5×105N，隨著時間的推移，碰撞力呈現(xiàn)下降趨勢，說明外板的耐撞性能比其他構(gòu)件更好。一旦外板失效，其余構(gòu)件耐撞性能就明顯下降。

3.4 能量吸收

圖8反映了7 m高速三體客船內(nèi)部各構(gòu)件的能量吸收情況。從曲線上可以看出：

1）在相同的碰撞時間內(nèi)，不同構(gòu)件的能量吸收曲線呈現(xiàn)上升趨勢。隨著碰撞的進行，同一構(gòu)件抵御碰撞的能力逐漸增加，總的變形能也隨之增大。

2）對表1的數(shù)據(jù)進行對比研究發(fā)現(xiàn)，該方案下船舶的外板是主要吸能構(gòu)件，其中外板的吸能量占到總吸能量的35%左右，而船底、甲板和其余構(gòu)件的能量吸收分別占總能量的23%、20%和22%。這一結(jié)果說明外板隨著撞深增加，參與變形的范圍不斷擴大，程度不斷加深，吸收能量隨之增加，船首部位的其他構(gòu)件對于抵抗碰撞所起的貢獻相對較小，在提高船舶耐撞性時應(yīng)考慮對艏柱內(nèi)的構(gòu)件進行加強，使碰撞載荷均勻地分配到各個構(gòu)件上，縮小外板、橫隔板與其他構(gòu)件的強度懸殊，有利于碰撞載荷在船體各個構(gòu)件間的傳遞，進而從總體上提高船首的耐撞性能。而船底板、甲板以及內(nèi)部構(gòu)件所占比例也不低，可見要提高耐撞性能也可以對這些構(gòu)件進行加強。

表1 各構(gòu)件的吸能匯總

3）不難看出，由于附體、隔板以及連接橋為非撞擊區(qū)域，在碰撞過程中所占的比例很小，可以忽略不計。

4）7 m高速三體客船初始動能為157 kJ，當t=0.3 s時，該船的動能為0，而船體的總塑性變形能為140.5 kJ，總吸能約占總能量的90%。所損耗的能量主要體現(xiàn)為摩擦能和沙漏能等。

表2 碰撞結(jié)果匯總

3.5 小結(jié)

通過對7 m高速三體客船撞擊剛形體后碰撞性能進行數(shù)值仿真計算（表2），可以得出如下結(jié)論：

1）撞擊船船首部，碰撞損傷區(qū)域主要集中在船首部。隨著速度的增加，船首的損傷變形愈加嚴重，撞深隨之增加，損傷區(qū)域也隨之變大。

2）要提高船舶的耐撞性能，需要考慮對艏柱的加強，以提高整個艏部的耐撞性能。

3）撞擊船的位移曲線呈上升趨勢，隨著碰撞的進行曲線變化斜率越低，說明碰撞受到的阻礙也越大。在t=0.3 s后，該船發(fā)生的位移量為2 m。

4）在t=0.1 s時，碰撞力達到極值7.5×105N，隨著時間的推移，碰撞力呈現(xiàn)下降趨勢，說明外板的耐撞性能比其他構(gòu)件的要好。一旦外板失效，其余構(gòu)件的耐撞性能就明顯下降。

5）該方案中船舶外板是主要吸能構(gòu)件，其中外板的吸能量占到總吸能量的35%左右，而船底、甲板和其余構(gòu)件的能量吸收分別占總能量的 23%、 20%和22%。附體、隔板以及連接橋為非撞擊區(qū)域，在碰撞過程中所占比例很小，可以忽略不計。7 m高速三體客船初始動能為157 kJ，當t=0.3 s時，該船的動能為0，而船體的總塑性變形能為140.5 kJ，總吸能約占總能量的90%。所損耗的能量主要體現(xiàn)為摩擦能和沙漏能等。

4 方案II下的碰撞性能分析

4.1 損傷變形

經(jīng)過3.5個小時的計算，得到了碰撞發(fā)生0.3 s 后7 m高速三體客船附體的損傷變形圖。圖9是碰撞t=0.15 s時的損傷變形圖。從圖9可看出：

1）7 m高速三體客船碰撞損傷區(qū)域主要集中在附體和連接橋區(qū)域。隨著速度的增加，該區(qū)域的損傷變形愈加嚴重，從而導致連接橋與附體連接位置處出現(xiàn)大面積撕裂，結(jié)構(gòu)造成嚴重破壞。進而三體船的一個附體失效后會對整船的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)性帶來嚴重影響。

2）三體船在航行過程中，操作人員由于操作不當或是外界環(huán)境的影響，附體經(jīng)常會出現(xiàn)碰撞摩擦等現(xiàn)象。要提高整船的耐撞性能，僅提高主體艏部強度是不夠的，需要從附體的結(jié)構(gòu)入手進行研究。

4.2 撞擊船的速度及位移

本次仿真使撞擊船以12.86 m/s的初速度運動0.3 s，得到計算結(jié)束時刻下的撞擊船速度變化，反映該船舶在碰撞方案下，附體破裂后撞擊船仍具有較高的速度，碰撞損傷繼續(xù)發(fā)展，由于撞擊船本身質(zhì)量較大，初始動能巨大，對結(jié)構(gòu)破壞損傷能力較強。

圖10是撞擊船在方案II下的速度—時間的變化曲線。從圖中可以看出，在船舶撞擊被撞船的過程中，由于碰撞區(qū)域發(fā)生在附體的端部，雖然端部整體結(jié)構(gòu)較強，但由于附體局部部位的尺寸相對整船來說較小，在外板一旦破裂后，內(nèi)部構(gòu)件的耐撞能力較差，因此船舶依然具有較大的動能，以較高速度的繼續(xù)向前運動[5]。

圖11反映了撞擊船位移變化，可以看出：

1）撞擊船的位移曲線幾乎呈現(xiàn)線性上升趨勢。由于碰撞結(jié)束后船舶還以9 m/s速度往前航行，附體受到撞擊后對整船的位移沒有發(fā)生顯著變化。

2）從圖11中可以看到艉部上某點作為監(jiān)測點的縱向坐標位于模型的艉部，位移變化量為3 m。由于整船速度為12.86 m/s，在0.3 s后阻礙船舶往前運動位移量為0.9 m左右。

4.3 碰撞力

圖12為撞擊船與剛性板之間的碰撞力曲線。

從圖12中可以看出：

1）碰撞力曲線總體上具有明顯的非線性，一開始就呈多峰狀態(tài)，且峰值處為船體接觸區(qū)域的主要構(gòu)件失效時刻。在0.04 s時連接橋出現(xiàn)失效，在0.08 s時附體出現(xiàn)失效。

2）在t=0.08 s時，碰撞力達到極值7.8×105N，隨著時間的推移，碰撞力呈現(xiàn)下降趨勢。在0.22 s以后由于該船與剛性板之間不存在碰撞區(qū)域，碰撞力為0。

4.4 能量吸收

圖13反映了7 m高速三體客船內(nèi)部各構(gòu)件的能量吸收情況。從曲線上可以看出：

1）在相同的碰撞時間內(nèi)，不同構(gòu)件的能量吸收曲線呈現(xiàn)上升趨勢。隨著碰撞的進行，同一構(gòu)件抵御碰撞的能力逐漸增加，總的變形能也隨之增大。

2）對表3的數(shù)據(jù)進行對比研究發(fā)現(xiàn)，該方案下附體是主要吸能構(gòu)件，其中外板的吸能量占到總吸能量的50%左右，而連接橋、隔板和其余構(gòu)件的能量吸收分別占總能量的34%、9%和7%。這一結(jié)果說明附體隨著撞深增加，參與變形的范圍不斷擴大，程度不斷加深，吸收能量隨之增加。由于附體與主體之間用連接橋連接，連接橋會隨著附體一起發(fā)生碰撞，造成連接橋大面積的變形，從而變形能也逐漸增加。在提高船舶耐撞性時應(yīng)考慮對附體、連接橋以及隔板的加強，使碰撞載荷均勻地分配到各個構(gòu)件上，縮小它們之間的強度懸殊，有利于碰撞載荷在船體各個構(gòu)件間的傳遞，進而從總體上提高船首的耐撞性能。

表3 各構(gòu)件的吸能匯總

3）由于船底、甲板以及外板為非撞擊區(qū)域，在碰撞過程中所占的比例很小，可以忽略不計。

4）7 m高速三體客船初始動能為157 kJ，當t=0.3 s時，該船的動能為70 kJ，而船體的總塑性變形能為80 kJ，總吸能約占總能量的92%。所損耗的能量主要體現(xiàn)為摩擦能和沙漏能等[6-7]。

表4 碰撞結(jié)果匯總

4.5 小結(jié)

通過對7 m高速三體客船撞擊剛形體后碰撞性能進行數(shù)值仿真計算（表4），可以得出如下結(jié)論：

1）7 m高速三體客船碰撞損傷區(qū)域主要集中在附體和連接橋區(qū)域。隨著速度增加，該區(qū)域的損傷變形愈加嚴重，從而導致連接橋與附體連接位置處出現(xiàn)大面積撕裂，結(jié)構(gòu)造成嚴重破壞。進而三體船的一個附體失效后會對整船的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)性帶來嚴重影響。

2）該船的位移變化量為3 m。由于整船速度為12.86 m/s，在0.3 s后阻礙船舶往前運動位移量為0.9 m左右。

3）碰撞力曲線總體上具有明顯的非線性，一開始就呈多峰狀態(tài)，且峰值處為船體接觸區(qū)域的主要構(gòu)件失效時刻。在0.04 s時連接橋出現(xiàn)失效；在0.08 s時附體出現(xiàn)失效。在t=0.08 s時，碰撞力達到極值7.8×105N，隨著時間的推移，碰撞力呈現(xiàn)下降趨勢。在0.22 s以后由于該船與剛性板之間不存在碰撞區(qū)域，碰撞力為0。

4）該方案下附體是主要吸能構(gòu)件，其中外板的吸能量占到總吸能量的50%左右，而連接橋、隔板和其余構(gòu)件的能量吸收分別占總能量的34%、9% 和7%。由于船底、甲板以及外板為非撞擊區(qū)域，在碰撞過程中所占比例很小，可以忽略不計。7 m高速三體客船初始動能為157 kJ，當t=0.3 s時，該船的動能為70 kJ，而船體的總塑性變形能為80 kJ，總吸能約占總能量的92%。所損耗的能量主要體現(xiàn)為摩擦能和沙漏能等。

5 結(jié)論

本文借助動態(tài)非線性有限元軟件MSC.Dytran，模擬7 m高速三體客船整船結(jié)構(gòu)，在主體和附體分別撞擊剛性體（碼頭或是橋墩）的方案下，得到其在結(jié)構(gòu)損傷變形、位移與速度、碰撞力以及撞擊船和被撞船結(jié)構(gòu)能量吸收等方面的性能，為船體結(jié)構(gòu)加強提供參考。

[1] 王自力. 船舶碰撞損傷機理與結(jié)構(gòu)耐撞性研究[D].上海: 上海交通大學, 2000.

[2] 王自力, 顧永寧. LPG船的一種新型舷側(cè)耐撞結(jié)構(gòu)研究[J]. 船舶工程, 2001 (2): 12-14.

[3] 王自力, 朱學軍, 顧永寧. 船體結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計方法研究[J]. 中國造船, 2000 41(2): 34-40.

[4] 王自力, 顧永寧. 船舶碰撞研究的現(xiàn)狀和趨勢[J]. 造船技術(shù), 2000 (4): 7-12.

[5] 祁恩榮, 崔維成. 船舶碰撞和擱淺研究綜述[J]. 船舶力學, 2001 (8): 67-80.

[6] 肖曙明, 劉敬喜, 王娜, 等. 雙殼船內(nèi)外殼結(jié)構(gòu)耐撞性試驗與仿真研究[J]. 應(yīng)用力學學報, 2013 (2): 257-262.

[7] 周紅, 張延昌, 岳亞霖, 等. 夾層板系統(tǒng)碰撞性能數(shù)值仿真分析技術(shù)[J]. 計算機輔助工程, 2013 (2): 66-82.

IMO污染預(yù)防與應(yīng)急分委會第4次會議（PPR4）要點快報

國際海事組織污染預(yù)防與應(yīng)急分委會第4次會議（PPR4）于2017年1月16日～22日在倫敦召開。除全會外，會議共設(shè)置了三個工作組（液體化學品安全及污染風險評估、OSV工作組、防止空氣污染工作組）及兩個起草組（壓載水管理手冊制定起草組、OPRC模擬培訓課程起草組）。

本次會議共有21項議題，主要包括：化學品安全和污染風險評估及IBC規(guī)則修正案準備、近海供應(yīng)船限量載運和處理散裝有毒有害液體物質(zhì)規(guī)則（OSV Chemical Code）、壓載水管理手冊制定相關(guān)議題、國際航運黑炭排放對南極區(qū)域影響審議、船上氣化廢棄物轉(zhuǎn)化到能量系統(tǒng)的標準制定及MARPOL附則VI第16條修訂、廢氣再循環(huán)泄放水的排放導則、促進全球0.5%硫含量實施的措施、2011 SCR導則的修訂、使用電子記錄簿等議題。本次會議共形成了5份技術(shù)文件，包括決議和通函草案。

提醒業(yè)界注意的事項有：

1）近海供應(yīng)船（OSV）相關(guān)問題：（1）近海供應(yīng)船化學品規(guī)則（OSV Chemical Code）技術(shù)文本已經(jīng)定稿，將提交2017年的MEPC71和MSC98同意，最終報A30次大會批準。其建議的生效時間為2018年7月1日。對現(xiàn)有船，如果載運2型船載運的貨品，也必須滿足OSV規(guī)則的要求。另外，新的OSV規(guī)則中，對回裝載運污染的液體物質(zhì)要求適用于新建船和所有現(xiàn)有船。（2）OSV化學品規(guī)則是以IBC規(guī)則為藍本，結(jié)合A.673(16)的內(nèi)容，同時還考慮了OSV的許多特殊要求制定而成。（3）請業(yè)界注意OSV規(guī)則生效的時間表，同時關(guān)注OSV規(guī)則的技術(shù)內(nèi)容，提前做好應(yīng)對措施。

2）IBC規(guī)則第21章修正案：（1）IBC規(guī)則第21章已完成修訂，將提交2017年的MEPC71和MSC98批準。（2）IBC規(guī)則第21章修訂后，將大幅增加歸類為有毒的物質(zhì)，修訂結(jié)果將直接影響IBC規(guī)則第17和18章的修訂，IBC規(guī)則第17和18章屬于貨物載運要求，不但適用新造船，也適用現(xiàn)有船。（3）考慮到此次對于有毒貨品評估標準變化的影響較大，如貨物被認定為有毒貨物，將從船舶透氣、氣體探測、貨物裝運、管系布置等有額外的要求，將對化學品船的建造和營運產(chǎn)生實質(zhì)性影響。（4）請業(yè)界關(guān)注IBC規(guī)則第21章的修訂，以及隨后對IBC規(guī)則第17和18章的修訂情況，提前做好應(yīng)對措施。

3）廢氣再循環(huán)排放水的排放導則：本次會議通過了“廢氣再循環(huán)排放水的排放導則”，將報MEPC71批準，提醒國內(nèi)發(fā)動機廠家注意此導則內(nèi)容，并做好相應(yīng)準備，確保設(shè)備能滿足其標準。

4）2011 SCR導則的修訂：2011 SCR導則已完成修訂，形成了2017年SCR導則草案，將報MEPC71批準。提醒國內(nèi)SCR設(shè)備廠家、發(fā)動機廠家關(guān)注此導則內(nèi)容，按此導則設(shè)計、生產(chǎn)、認可SCR。

來源：中國船級社

Analysis and Research of Collision Performance of 7 m High-speed Trimaran Passenger Ship

Song Wenming, Wang Xi, Chen Yanchun

(Taizhou Maritime Safety Administration, Jiangsu Taizhou 225300, China)

In this paper, the dynamic nonlinear finite element software MSC.Dytran is used to simulate the entire ship structure of 7 m high-speed trimaran passenger ship. Under the program of main hull and appendage striking with the rigid body (dock or pier), the paper studies the performances of deformation in structural damage, displacement and speed, impact force and energy absorbing. It offers reference for ship hull structure strengthening.

high speed; trimaran; collision performance

U674.951

A

10.14141/j.31-1981.2017.02.013

宋文明（1983—），男，本科，研究方向：船舶船員管理。