船舶碰撞損傷危險區(qū)間界定研究*

張 磊 甘浪雄 李 慧 周春輝 鄭元洲 趙曉博

(武漢理工大學航運學院1) 武漢 430063) (內河航運技術湖北省重點實驗室2) 武漢 430063)(長江航運發(fā)展研究中心3) 武漢 430014) (南京海事局4) 南京 210011)

0 引 言

兩船碰撞過程是在短時間內發(fā)生的非線性動態(tài)響應過程，影響因素包括兩船碰撞時的速度、角度及位置等，從船體自身來說，結構耐撞性能是其主要因素[1-3].船舶粗略可以分為船首段、船中段和船尾段，船舶不同區(qū)間段的結構強度不同，碰撞所導致的損傷、損失和風險程度也將有所不同.若碰撞不可避免時，駕駛員采取應急操縱使船舶避開碰撞危險區(qū)間，對減少碰撞損傷和損失有著重要的意義.

國內外學者對有限元方法的可靠性做了大量研究，通過與實船試驗或實際勘驗結果進行對比，分析有限元法的準確性和可靠性，得出仿真結果與實際吻合度較高[4-5].劉闖等[6-8]利用不同的風險評估方法，定性或定量對船舶碰撞風險進行評估，并提出相應的措施；Brown等[9-10]從風險角度定量分析了船舶碰撞結構損傷和風險性情況.

若綜合考慮不同碰撞區(qū)間的有限元仿真試驗結果及碰撞后的風險評估結果，將能更加合理和準確的界定船舶碰撞最危險的區(qū)間.本文以兩艘10 000 t級單舷側結構散貨船為研究對象，將被撞船劃分為“船首球鼻首段”“船中貨艙段”和“船尾機艙段”三個碰撞區(qū)間段，并建立相應的有限元碰撞模型，從碰撞應力、結構損傷、能量變化3個方面對船舶三個碰撞區(qū)間進行有限元仿真，同時從碰撞概率、碰撞后果兩個方面對三個碰撞區(qū)間的風險進行分析，最終確定船舶碰撞最危險的區(qū)間.

1 碰撞區(qū)間有限元仿真分析

1.1 有限元碰撞模型建立

本文選取兩艘10 000 t級散貨船作為研究對象，撞擊船和被撞船的尺度見表1.

表1 碰撞船舶基本參數(shù)表

設定的碰撞場景為兩船正碰，由于碰撞過程中，撞擊船船首變形一般非常小，而被撞船損傷變形較大[11]，故本文將撞擊船視為剛體，將被撞船視為變形體.此外，由于船舶碰撞具有局部效應，為了提高運行速度，往往利用等效梁模型來代替遠離碰撞區(qū)域的有限元模型.本文所研究的被撞船不同區(qū)間段均參與碰撞，故不能對其簡化；而撞擊船僅球鼻首為碰撞區(qū)域，為了提高運行效率，球鼻首后面的船體部分可利用等效梁模型代替.因此，需建立被撞船整船模型，撞擊船有限元模型可進行簡化處理.本文根據(jù)船舶實際圖紙建立有限元模型，圖1為被撞船和撞擊船的有限元模型.

圖1 有限元模型

有限元模型建立完成后，需進行接觸、材料、屬性、約束等參數(shù)定義和設置.本文選擇船用結構鋼(高強度鋼)作為船舶材料，其材料模型選用塑性動態(tài)模型[12]；采用自適應主-從接觸算法，且對模型不施加約束，使碰撞船舶具有六自由度的運動；同時采取質量分配的方法對貨物進行等效處理，將貨物的質量分配至不影響碰撞的區(qū)域構件上；在處理水的作用時，對被撞船周圍的水采取流固耦合方法，以提高計算精度，而由于撞擊船不是研究重點，為了節(jié)約運行時間，對撞擊船周圍的水采取附連水質量法.

三個碰撞區(qū)間所對應的有限元碰撞模型見圖2.

圖2 各碰撞區(qū)間的船舶碰撞有限元模型

1.2 船舶碰撞仿真

針對不同碰撞區(qū)間建立模型后，進行輸出設置，設置運行時間均為0.5 s，相對撞擊速度均為7 000 mm/s，相對撞擊角度均為90°，并利用MSC.Dytran進行運行.

1.2.1碰撞應力

兩船碰撞時，相互間會產(chǎn)生碰撞接觸力，隨著碰撞的發(fā)生，接觸力將不斷發(fā)生變化，直至碰撞結束，接觸力降至0.圖3為三個不同碰撞區(qū)間的碰撞力有所不同.

圖3 各碰撞區(qū)間碰撞力時序曲線圖

由于本次試驗設置時間為0.5 s，此時船舶碰撞并未結束，故碰撞力在0.5 s時不為0.由于船體結構在巨大的碰撞載荷下往往會出現(xiàn)變形甚至破裂，若船體構件出現(xiàn)破裂，即代表該結構失效，此時碰撞力將下降，應力卸載現(xiàn)象發(fā)生，因此，在船舶碰撞的過程中，會形成波動明顯的碰撞力曲線變化.由圖3可知，不同碰撞區(qū)間船舶碰撞力的變化趨勢一致.比較三個區(qū)間的碰撞力大小，可以得出在碰撞的過程中，船首球鼻首段平均碰撞力高于船中貨艙段，船尾機艙段最小.說明船尾段結構強度最小，意味著，船尾結構在同等撞擊條件下承受碰撞載荷的能力最小，更容易發(fā)生結構失效.圖4為三個碰撞區(qū)間的應力云圖，可以看出應力主要集中在碰撞區(qū)域，且距離碰撞區(qū)域越遠，應力越小，顏色表現(xiàn)越淺.

圖4 被撞船應力云圖

1.2.2結構損傷

在0.5 s的碰撞時間里，三個碰撞區(qū)域均出現(xiàn)了外板破裂的情形，但結構損傷的程度和范圍有所不一，見圖5～7.

圖5 船首球鼻首段碰撞區(qū)域結構損傷云圖

船首球鼻首段產(chǎn)生碰撞力，被撞區(qū)域外板在外部載荷的作用下開始發(fā)生變形，且變形不斷向兩端延伸；在0.38 s時，外板達到了其最大失效應力值，失效單元將從網(wǎng)絡中自動去除，即開始出現(xiàn)破裂；隨著碰撞的進行，更多的構件參與變形，在撞擊船持續(xù)的動能作用下，碰撞區(qū)域破口不斷增大；直至仿真結束，外板破口近似為長方形，破口長度約為5 251 mm、寬度約為925 mm.

圖6 船中貨艙段碰撞區(qū)域結構損傷云圖

船中貨艙段碰撞區(qū)域的損傷情況與船首類似，但在同樣的撞擊條件下其損傷程度更嚴重，如圖7所示.在0.37 s時，被撞船舷側出現(xiàn)破口，直至仿真結束，舷側外板破口與船首段類似，近似為長方形，但破口尺度較船首段更大，長約為6 900 mm，寬度約為1 760 mm.

圖7 船尾機艙段碰撞區(qū)域結構損傷云圖

船尾機艙段與船首段和船中段的損傷過程不同，它包括二個損傷部分：①水線面以上部分，②水線面以下部分.當撞擊船碰撞船尾段時，撞擊船首上部結構先接觸被撞船的船尾結構，隨后撞擊船下部球鼻首接觸被撞船尾外板.從仿真時序圖來看，在0.16 s時，船尾水線面以上的尾樓甲板及連接的艙壁出現(xiàn)破口；在0.37 s時，水線面以下的尾部外板出現(xiàn)破口；直至0.5 s時，上部結構損傷破口長約3 010 mm、寬約2 930 mm，下部結構損傷破口長約2 900 mm、寬約1 970 mm.與前兩個碰撞區(qū)域相比，損傷范圍最大，且發(fā)生破裂的時間最早.

總體而言，在相同的撞擊條件下，三個碰撞區(qū)域結構出現(xiàn)了不同程度的變形和損傷.通過分析和對比，船尾機艙段的損傷程度最大.

1.2.3碰撞能量

撞擊船以一定的初始動能撞擊被撞船，兩船在初始動能的作用下會發(fā)生能量轉換.由于本文撞擊船為剛體，不發(fā)生變形能吸收過程，且被撞船初始動能為0，故撞擊船的動能損失會轉換為被撞船的塑性變形能、被撞船動能及沙漏能，其中，塑性變形吸能所占比重最大.各能量轉換的具體數(shù)值見表2.

表2 能量轉換數(shù)據(jù)表 ×105 J

結構的極限吸能指舷側外板破裂瞬時的變形能大小.對于三種不同的碰撞區(qū)間，在相同的撞擊條件下，如果被撞船極限吸能越小，表示所能承受的撞擊能量越小，其外板越容易發(fā)生破裂，區(qū)間越危險.根據(jù)表3的結果，單純就結構破裂時的極限吸能而言，船尾機艙段結構防撞性能最弱，所能承受的撞擊能量最小，區(qū)間危險度最高.

表3 外板破裂時刻的極限變形能

2 船舶碰撞損傷風險評估

2.1 碰撞概率分析

為了分析三個碰撞區(qū)間段的碰撞概率，本文對近年各海事局轄區(qū)水域的水上交通事故情況進行統(tǒng)計和分析，包括深圳、福州、連云港、廈門等轄區(qū)水域.首先對事故進行分類，得出水上交通事故種類分布概率；其次在碰撞事故中對涉及到的船舶種類進行分類，得出碰撞事故中船舶種類分布概率；最后，針對散貨船的碰撞事故進行分析，從而得出三個碰撞區(qū)間發(fā)生碰撞的概率情況.并以“頻繁發(fā)生(發(fā)生概率70%以上)、很可能發(fā)生(發(fā)生概率40%～70%)、很少發(fā)生(發(fā)生概率10%～40%)、極少發(fā)生(發(fā)生概率10%以下)”為四個等級進行劃分統(tǒng)計，分析結果見表4.

表4 散貨船碰撞事故中各區(qū)間段發(fā)生碰撞頻率分布

根據(jù)調研收集到的數(shù)據(jù)分析可得，在散貨船碰撞事故中，船首球鼻首段發(fā)生碰撞的可能性最大，船中與船尾發(fā)生頻率相差不大.通過對其進行等級劃分，船首球鼻首段發(fā)生概率屬于“很可能發(fā)生”等級，其他兩個區(qū)間段屬于“很少發(fā)生”等級.

2.2 碰撞后果分析

采用二級模糊綜合評價方法對3個區(qū)間發(fā)生碰撞的后果嚴重度進行分析，具體包括確定評價因素、評價集、評價標準、隸屬度、各因素的權重，以及進行模糊綜合評價和評價結果分析.其中評價因素見表5.

表5 船舶碰撞后果嚴重度二級評價因素模型

針對船舶碰撞后果嚴重度的大小，本文將其劃分為五個等級，即V={V1，V2，V3，V4，V5}={輕微，較輕度，中度，較嚴重， 非常嚴重}.并參考“水上交通事故管理辦法(2015年1月1日實施)”和“水上交通事故分級標準”(交通部2002年第5號)，同時征求海事部門、船員以及船公司的意見進行分級，確定各評價因素的評價標準見表6.

表6 各評價因素的評價標準

以表6的評價標準為基礎，采用隸屬函數(shù)以及專家打分的方式確定隸屬度.對于定量因素的分析，采用嶺型隸屬函數(shù)，以經(jīng)濟損失為例，其隸屬度函數(shù)為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

此外，通過對海事部門、船員、船公司、專家等進行問卷調查，同時利用YAAHP(yet another AHP)軟件構建的層次結構模型(見圖8)，最終計算得出各一級指標和二級指標對應的權重值.

圖8 船舶碰撞后果嚴重度層次結構模型圖

最后，將V量化為{1，2，3，4，5}，并設bj為二層級模糊綜合評價所得的向量值，則最終評估結果為

(6)

所得到的Q值即為船舶碰撞危險度整體評價的等級.根據(jù)計算，船首球鼻首段Q=2.155 1，即發(fā)生碰撞后所導致的后果嚴重度為“較輕度”；船中貨艙段Q=3.411 4，為“中度”；船尾機艙段Q=3.945 4，為“較嚴重”.

2.3 FSA綜合評估

參考國際海事組織(IMO)建議的規(guī)范化安全評估方法(FSA)對碰撞概率與碰撞后果進行綜合評估.本文采用的FSA風險評估矩陣見表7.

表7 FSA風險評估矩陣表

將三個區(qū)間的碰撞概率與后果嚴重度分別代入表7中，其中對應的水平越高表示風險越大.因此，綜合評估船舶碰撞損傷風險情況得出，船舶船尾機艙區(qū)間段發(fā)生碰撞后，其損傷風險最高.

3 危險區(qū)間界定及建議

在有限元仿真方面，綜合分析得出船舶碰撞船尾機艙段的損傷危險度最高，其次是船中貨艙段，最后是船首球鼻首段；在風險評估方面，得出船舶船尾機艙區(qū)間段發(fā)生碰撞后的損傷風險最高，船中貨艙段與船首球鼻首段風險水平一樣.綜合有限元仿真以及風險評估兩個層面，最終得出船舶碰撞損傷最危險的區(qū)間為船尾機艙區(qū)間段，最不危險的區(qū)間為船首球鼻首區(qū)間段，船中貨艙段的危險度位于兩者之間.

若兩船碰撞不可避免，為了減少船舶碰撞的損傷和損失，提出以下兩點建議：

1) 在結構優(yōu)化方面，建議船舶從舷側結構上進行改進和優(yōu)化，可采取新型舷側結構，提高自身的耐撞性能，從而達到降低船舶碰撞結構損傷的目的.填充層結構增強了船舶的防撞性能，建議優(yōu)化和改良船尾機艙段結構，在不影響船舶總縱強度的前提下，可添加必要和適當?shù)奶畛鋵咏Y構來增強船舶的耐撞性[13].

2) 在應急操縱方面，由于船尾機艙段為船舶碰撞損傷最危險的區(qū)間，故建議在碰撞不可避免的情形下，駕駛員應采取轉向操作，避免碰撞船尾機艙區(qū)間段.

4 結 論

1) 運用MSC. Dytran進行有限元仿真，綜合考慮3個碰撞區(qū)間的碰撞應力、結構損傷和能量變化的仿真結果，得出船舶碰撞船尾機艙區(qū)間段的損傷危險度最高，其次是船中貨艙段，最后是船首球鼻首段.

2) 利用風險評估方法對三個區(qū)間段的碰撞概率和后果進行風險評估，基于近年各水域的水上交通事故數(shù)據(jù)，并采用模糊綜合評價以及FSA風險評估法，最終界定船舶船尾機艙區(qū)間段發(fā)生碰撞后的損傷風險最高.

3) 綜合有限元仿真以及風險評估兩方面研究，得出船舶碰撞損傷最危險的區(qū)間為船尾機艙區(qū)間段.為了減少船舶碰撞的損傷和損失，建議優(yōu)化和改進船舶機艙段結構，且在碰撞不可避免的情形下，建議駕駛員采取轉向操作，避免碰撞船尾機艙區(qū)間段.

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