液貨黏度對(duì)雙殼油船舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能的影響

吳文鋒， 楊雨濱， 張建偉， 盧金樹， 王帥軍

(浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

隨著全球貿(mào)易往來的不斷加速，航行船舶的數(shù)量大量增加，而且航速不斷提高，航線也越來越擁擠，船舶碰撞事故發(fā)生的可能性顯著增加。船舶碰撞事故的后果往往是災(zāi)難性的，尤其是大型油船的碰撞事故，它將直接引起油船船艙破裂艙內(nèi)進(jìn)水和大量石油外泄，導(dǎo)致海洋環(huán)境的嚴(yán)重污染[1]。因此，研究載貨油船碰撞性能具有重要意義。

近年來,學(xué)者們針對(duì)油船碰撞進(jìn)行了廣泛的研究和探討，取得了一定成果[2-7]。然而，在油船碰撞損傷機(jī)理研究中，由于油船碰撞問題本身的復(fù)雜性及求解技術(shù)的限制等因素的影響,使得在油船結(jié)構(gòu)碰撞損傷特性及耐撞性能研究中普遍忽略艙內(nèi)液貨的影響作用。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷升級(jí)更新，有限元技術(shù)的日益進(jìn)步和成熟，部分學(xué)者針對(duì)碰撞載荷作用下雙殼油船艙內(nèi)液貨晃蕩的非線性動(dòng)力學(xué)開展了初步探討。楊樹濤[8]開展艙內(nèi)液貨對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞特性的研究，發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)液貨對(duì)碰撞特性有一定影響。CUI等[9]針對(duì)雙殼油船的某個(gè)艙段，分析80%載貨率狀態(tài)下艙內(nèi)液體晃蕩對(duì)雙層舷側(cè)碰撞性能的影響。ZHANG等[10]采用3種數(shù)值仿真方法對(duì)碰撞載荷作用下油船內(nèi)流體與結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)線性晃蕩模型與任意拉格朗日-歐拉法所得結(jié)果有偏差，而縮減拉格朗日-歐拉法CPU計(jì)算時(shí)間所得結(jié)果合理，可作為實(shí)際工程應(yīng)用的方法。吳文鋒等[11]分析艙內(nèi)液貨晃蕩對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能的影響，研究結(jié)果表明，研究雙殼油船碰撞時(shí)不能忽略艙內(nèi)液貨的影響。目前研究以艙內(nèi)載貨晃蕩對(duì)碰撞損傷的影響為主，而對(duì)艙內(nèi)液貨黏度在油船碰撞過程中的影響機(jī)制尚未有研究。

基于此，通過有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，以雙殼油船為研究對(duì)象建立船舶碰撞模型，為凸顯液貨黏度的影響，分別針對(duì)5種不同原油黏度在載貨率均為80%的情景下開展數(shù)值仿真計(jì)算，通過對(duì)碰撞力、結(jié)構(gòu)損傷變形和結(jié)構(gòu)吸能等比較分析，總結(jié)出液貨黏度對(duì)雙殼油船碰撞性能的一般影響規(guī)律。

1 模型建立

考慮到碰撞損傷的局部特性及縮減計(jì)算時(shí)間，在建立數(shù)值模型時(shí)，需對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。其中，被撞船以一段貨艙為研究對(duì)象，通過其周邊艙室分布整船質(zhì)量，以此保證被撞船的質(zhì)量和重心等與實(shí)際一致。

撞擊船由艏部和貨艙組成，通過改變貨艙尺寸和質(zhì)量實(shí)現(xiàn)撞擊船的重心和質(zhì)量與實(shí)際一致。船舶碰撞數(shù)值模型見圖1。

結(jié)構(gòu)材料模型采用ANSYS/LS-DYNA所提供的Cowper-Symonds本構(gòu)方程[12]，并考慮材料應(yīng)變硬化影響，失效應(yīng)變?nèi)?.1。液體材料模型采用Null材料模型，液體的狀態(tài)方程采用GURNEISEN狀態(tài)方程[11]。本文仿真計(jì)算中的液貨采用的是原油，其狀態(tài)方程各參數(shù)見表1。

在計(jì)算過程中，艙內(nèi)液貨采用任意拉格朗日-歐拉法(Arbitrary Lagrange Euler，ALE)實(shí)現(xiàn)與雙殼油船舷側(cè)結(jié)構(gòu)之間的流固耦合問題，主要通過設(shè)置LS-DYNA中關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)和流體單元之間的傳遞關(guān)系。

2 碰撞情景

本文選用撞擊船為5萬噸散貨船，被撞擊船為5萬噸雙殼油船。相撞船舶的主要尺寸見表2。

表1 原油材料參數(shù)

表2 相撞船舶的主要尺寸 m

為凸顯艙內(nèi)液貨黏度的影響作用且考慮貨油運(yùn)輸過程中原油黏度的實(shí)際情況[13]，原油黏度的選擇范圍基本包括一般運(yùn)輸過程中的原油黏度，部分原油黏度見圖2[14]。因此，載貨油船艙內(nèi)液貨黏度選擇同等密度下動(dòng)力黏度分別為0.000 4 Pa·S、0.004 Pa·S、0.04 Pa·S、0.4 Pa·S、4 Pa·S的原油，該原油黏度涵蓋范圍見圖2。

圖3～圖5分別為撞擊速度2 m/s、4 m/s及8 m/s的被撞擊船內(nèi)能-撞深曲線圖。對(duì)比圖3～圖5可知，撞擊速度的改變對(duì)被撞擊船內(nèi)有一定的影響，但在同一撞擊速度下，液貨黏度的改變對(duì)被撞擊船內(nèi)能影響不大。由于這里僅考慮液貨黏度改變對(duì)被撞擊船舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能的影響，為此，選擇撞擊初始速度為2 m/s。

綜上，本文所建立的碰撞情景為5萬噸散貨船以2 m/s的撞擊速度垂直對(duì)中撞向5萬噸雙殼油船。

3 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 艙內(nèi)原油響應(yīng)

原油平均動(dòng)能隨撞深變化關(guān)系曲線見圖6。原油平均動(dòng)能變化主要分為3個(gè)階段。

1) 撞深在約[0，0.88]m之前，撞擊船艏部與被撞船外殼接觸作用，碰撞能量通過被撞船船體結(jié)構(gòu)向艙內(nèi)液貨傳遞。此階段由于能量傳遞存在滯后性，且艙內(nèi)液貨需積累一定能量以克服慣性開始晃蕩，因此此階段艙內(nèi)液貨平均動(dòng)能增長緩慢。

2) 撞深為(0.88～2.28]，此階段撞擊船與被撞船雙殼間構(gòu)件發(fā)生作用，艙內(nèi)液貨能量積累達(dá)到運(yùn)動(dòng)閾值將開始運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能明顯增加，但由于碰撞能量主要由舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷變形吸收，且舷側(cè)結(jié)構(gòu)變形未對(duì)內(nèi)殼產(chǎn)生影響，艙內(nèi)液貨吸收能量較少，其動(dòng)能后續(xù)增長減緩。

3) 撞深為(2.28～3.03]m，此時(shí)撞擊船通過舷側(cè)構(gòu)件作用內(nèi)殼，內(nèi)殼出現(xiàn)變形，部分碰撞能量由內(nèi)殼傳遞于艙內(nèi)液貨。隨著撞擊船繼續(xù)推進(jìn)，撞擊船艏部與內(nèi)殼直接作用，內(nèi)殼發(fā)生嚴(yán)重變形并對(duì)艙內(nèi)原油產(chǎn)生一個(gè)擠壓作用，造成艙內(nèi)原油發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)。此外，從圖5中可看出在各階段各原油黏度對(duì)應(yīng)的原油動(dòng)能變化基本一致，說明此碰撞情景下原油黏度對(duì)原油動(dòng)能的影響很小。

3.2 碰撞力分析

碰撞力隨撞深的關(guān)系曲線見圖7。由圖7可知，模型碰撞力可劃分為3個(gè)階段。

1) 在撞深約[0，0.88]m，撞擊船撞擊被撞擊船，此時(shí)被撞船外殼發(fā)生變形但未破損。由于被撞擊船舷側(cè)結(jié)構(gòu)變形阻礙撞擊船的推進(jìn)，碰撞力顯著增加。此階段艙內(nèi)液貨黏度不同并不改變被撞船的總質(zhì)量，各模型碰撞力基本一致。

2) 撞深為(0.88～2.28]m，此階段原油已具備一定動(dòng)能，此時(shí)碰撞力除由固體之間接觸產(chǎn)生之外，還包括部分由液體晃蕩所產(chǎn)生的流固耦合力的作用。在該階段初期，隨著外殼破損失效，撞擊船所受阻礙作用減弱，碰撞力隨之減小。該階段后期，艙內(nèi)液貨運(yùn)動(dòng)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，同時(shí)伴隨著撞擊船繼續(xù)與結(jié)構(gòu)接觸作用，碰撞力隨著撞深出現(xiàn)波動(dòng)。由于液貨黏度對(duì)原油動(dòng)能影響很小，各模型艙內(nèi)原油運(yùn)動(dòng)對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響情況基本一致，此階段各模型碰撞力變化基本是一致。

3) 撞深為(2.28～3.03]m，此階段撞擊船通過舷側(cè)結(jié)構(gòu)與被撞船內(nèi)殼開始作用，被撞船內(nèi)殼損傷變形進(jìn)而擠壓艙內(nèi)液貨，引起液貨劇烈運(yùn)動(dòng)，液貨運(yùn)動(dòng)反作用內(nèi)殼，使得撞擊船受到阻力增大，碰撞力迅速提高。由圖7中可看知，此階段液貨黏度對(duì)碰撞力變化影響基本吻合。綜上，在一般貨油運(yùn)輸情況下，原油黏度對(duì)于碰撞力的影響很小。

3.3 吸能分析

被撞擊船內(nèi)能隨撞深變化曲線見圖8。從圖8中可以看出：

1) 在碰撞前期，即撞深在約[0，0.88]m時(shí)，原油動(dòng)能增長平緩，被撞船內(nèi)能主要為被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)變形吸能。此時(shí)艙內(nèi)液貨對(duì)被撞船內(nèi)能基本不產(chǎn)生影響。

2) 撞深為(0.88～2.28]m時(shí)，撞擊船撞穿外殼但未對(duì)內(nèi)殼產(chǎn)生明顯作用，此時(shí)被撞船內(nèi)能主要由舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷吸能和艙內(nèi)液貨運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能組成。由于此階段原油動(dòng)能一致及結(jié)構(gòu)損傷形式相似，此階段各模型被撞船內(nèi)能基本一致。

3) 在碰撞后期，被撞船內(nèi)能明顯增長，此時(shí)撞擊船與被撞船內(nèi)殼發(fā)生作用，撞擊船的沖擊能量主要為內(nèi)殼變形及艙內(nèi)液貨吸收。由于液貨黏度對(duì)碰撞過程中原油動(dòng)能影響較小，此階段各模型被撞船內(nèi)能隨撞深變化基本一致。因此，在此液貨黏度范圍內(nèi)，液貨黏度對(duì)被撞船內(nèi)能影響很微弱。

5種黏度模型下被撞船外殼板內(nèi)能隨時(shí)間變化關(guān)系曲線見圖9。從圖9中可以看出：撞深在約0.88 m之前，撞擊船撞擊外殼板，外殼主要通過損傷變形吸收能量。在撞深約0.88 m后，撞擊船撞穿外殼，外殼內(nèi)能因外殼破損發(fā)生耗散。隨著撞深增加，外殼朝撞擊方向彎曲變形吸能，外殼內(nèi)能逐漸增大。

各模型內(nèi)殼板內(nèi)能隨撞深變化關(guān)系曲線見圖10。從圖10中可看出：在撞深約2.28 m前，撞擊船未對(duì)內(nèi)殼產(chǎn)生明顯作用，內(nèi)殼內(nèi)能增長緩慢；隨著撞深增加，內(nèi)殼內(nèi)能迅速增加，此時(shí)內(nèi)殼內(nèi)能主要為碰撞引起的內(nèi)殼變形。

綜上，在船舶碰撞過程中，被撞船內(nèi)外殼板及船舶整體的吸能曲線在這5種模型下幾乎重合，說明艙內(nèi)液貨黏度對(duì)船舶的吸能性能影響不大。

3.4 損傷變形分析

在船舶碰撞過程中，被撞船在撞擊區(qū)域的構(gòu)件會(huì)因?yàn)榘l(fā)生塑性變形而吸收能量，構(gòu)件的吸能性能與其損傷變形緊密相關(guān)，而還直接的吸能性能構(gòu)件關(guān)乎其抗撞擊能力，這也是船舶碰撞性能研究重點(diǎn)之一。

碰撞后期內(nèi)殼損傷變形見圖11。由圖11中可知，內(nèi)殼均未發(fā)生破裂，且變形以膜拉伸為主，通過后處理軟件LS-ProPost可觀測(cè)到5種不同黏度下內(nèi)殼變形基本一致，說明艙內(nèi)液貨黏度對(duì)內(nèi)殼損傷變形的影響作用微弱。

在5種碰撞情形下被撞擊船外殼損傷變形見圖12。由圖12中可知，外殼損傷均以膜拉伸為主，裝載不同液貨黏度油船發(fā)生碰撞時(shí)，其外殼變形區(qū)域及程度幾乎一致，故液貨黏度對(duì)外殼損傷變形的影響很小。

4 結(jié)束語

本文以雙殼油船為研究對(duì)象，利用ANSYS/LS-DYNA對(duì)比分析裝載不同黏度液貨下雙殼油船舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能，分析結(jié)果表明：在原油運(yùn)輸過程中，液貨黏度對(duì)碰撞過程中液貨響應(yīng)、碰撞力變化、結(jié)構(gòu)吸能和損傷變形等參數(shù)的影響很小。因此，研究載貨油船碰撞問題時(shí)可不用考慮原油黏度帶來的影響。