基于Ls-dyna的船舶與碼頭碰撞動(dòng)力特性仿真分析

袁培銀，趙 宇，雷 林，秦淮濤，周 闖，李冬英

(1.重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院；2.河海學(xué)院；3.建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶400074)

0 引 言

隨著航運(yùn)行業(yè)的快速發(fā)展，船舶逐漸實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、大型化，船舶在運(yùn)輸過(guò)程中，水流條件的惡化、船員的誤操作、船舶失控等都容易發(fā)生船與碼頭相互碰撞的事故，造成生命財(cái)產(chǎn)的損失。

針對(duì)船舶與碼頭碰撞理論研究不完整的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家先后采用經(jīng)驗(yàn)公式法、實(shí)驗(yàn)法、有限元法研究船舶與碼頭的碰撞問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)公式法作為早期解決船舶碰撞問(wèn)題的方法，具有一定的計(jì)算誤差，實(shí)驗(yàn)法最接近實(shí)際的碰撞情況，但具有一定的局限性[1–2]，而有限元分析的方法可以模擬船舶與碼頭碰撞工況，具有較高的準(zhǔn)確度，因此，本文利用Ls-dyna對(duì)船舶與碼頭碰撞進(jìn)行動(dòng)力特性仿真分析。

趙南等[3]研究船舶之間的碰撞損傷，分析碰撞過(guò)程中各船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、碰撞力、能量變化及損傷變形程度；李良偉[4]通過(guò)一系列船模碰撞試驗(yàn)，分析撞擊速度、撞擊角度對(duì)被撞船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷特性影響，為實(shí)際碰撞事故和仿真模擬提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐；胡志強(qiáng)[5]研究船舶碰撞觸底事故的機(jī)理，介紹解析法、數(shù)值模擬法和風(fēng)險(xiǎn)分析法的發(fā)展及應(yīng)用；M inorsky[6]研究核動(dòng)力船舶的設(shè)計(jì)及海洋結(jié)構(gòu)物的防撞問(wèn)題，提出海洋結(jié)構(gòu)物的變形和吸收沖擊能之間存在一種線性關(guān)系。因?yàn)镸 inorsky公式具有一定的局限性，不能正確反映現(xiàn)代傳播的結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)，Kitamura[7]，Brown[8–9]，Consolazio[10]等對(duì)M inorsky理論公式進(jìn)行修正，擴(kuò)大該公式的影響范圍。

本文通過(guò)前期調(diào)研結(jié)果，建立船舶、碼頭的有限元模型，考察船舶與碼頭的碰撞部位及碰撞速度，確定材料模型的各項(xiàng)參數(shù)，預(yù)報(bào)船舶與碼頭首碰形式，分析碰撞過(guò)程中船舶局部應(yīng)力分布、塑性應(yīng)變及損傷程度、碰撞力、變形能變化規(guī)律，從而對(duì)撞擊船舶的安全性做出評(píng)估與判斷，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

1 船舶-碼頭碰撞能量守恒原理

本文采用拉格朗日法建立有限元控制方程，分析船舶與碼頭碰撞的動(dòng)力特性[11–12]，結(jié)合連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，碰撞過(guò)程中船舶與碼頭需滿足能量守恒原理，具體如公式（1）～式（4）。

式中：E為系統(tǒng)能量；V為體積；為應(yīng)變率張量；Sij為偏應(yīng)力張量；p為壓力；q為 體積粘性阻力；δij定義如下：

2 數(shù)值驗(yàn)證與分析

2.1 建立有限元模型

本文選取12300 t集裝箱船為研究對(duì)象，該船空船重量9000 t，載重量3300 t，建立模型過(guò)程中，橫蕩運(yùn)動(dòng)的附加質(zhì)量系數(shù)為0.6，縱蕩運(yùn)動(dòng)的附加質(zhì)量系數(shù)為0.05，即船舶發(fā)生首部碰撞時(shí)的附加質(zhì)量為615 t。在計(jì)算過(guò)程中，船舶結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量由鋼板的質(zhì)量、設(shè)備質(zhì)量、載重量、附加質(zhì)量，將質(zhì)量單元設(shè)計(jì)為mass166的形式，平均分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上[13–14]，船舶的具體參數(shù)如表1所示。

表1 船體主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the ship

根據(jù)船舶設(shè)計(jì)圖紙，該船為縱骨架式結(jié)構(gòu)，貨艙段每隔5個(gè)弱肋位，設(shè)置1個(gè)強(qiáng)肋位，且貨艙段共設(shè)有7道橫艙壁。為了提高計(jì)算效率及準(zhǔn)確度，船舶網(wǎng)格的劃分以碰撞姿態(tài)為基礎(chǔ)，主要表現(xiàn)為：碰撞區(qū)域的網(wǎng)格使用塑性動(dòng)態(tài)材料，網(wǎng)格劃分密集；過(guò)渡區(qū)域的網(wǎng)格使用雙線性材料，網(wǎng)格劃分的較密集，非碰撞區(qū)域的網(wǎng)格使用線性材料，網(wǎng)格劃分的較稀疏。全船有限元模型如圖1所示。

圖1 全船有限元模型Fig.1 Finiteelement model of ship

根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，船舶靠港和離港時(shí)，船首、船尾均可能因外力或操作不當(dāng)而與碼頭發(fā)生碰撞，即本文主要研究首碰工況下船舶與碼頭碰撞的動(dòng)力特性。

有限元建模過(guò)程中，全船單元選用Shell163殼單元，實(shí)常數(shù)中的板厚定義為2 cm，碰撞區(qū)域選用塑性動(dòng)態(tài)材料模型（Plastic Kinematic Material），過(guò)渡區(qū)域選用雙線性材料模型（Bilinear Isotropic M aterial），非碰撞區(qū)域選用線性材料模型（Linear Isotropic M aterial），表2為3種材料模型的各項(xiàng)參數(shù)[15]。

有限元建模過(guò)程中，船舶貨艙段右舷舷側(cè)外板選用塑性動(dòng)態(tài)材料，貨艙段右舷舷側(cè)骨架及貨艙內(nèi)壁選用雙線性材料模型，其余部分使用線性材料模型。船舶與碼頭發(fā)生首部碰撞時(shí)，全船均使用映射網(wǎng)格，首部前端外板接觸區(qū)域按0.2 m劃分，船首外板過(guò)渡區(qū)域按0.3m劃分，船首外板后端按0.4m劃分，船首骨架、甲板及平臺(tái)前端按0.3 m劃分，后端按0.4 m劃分，船體其余部分均按2m劃分。船舶與碼頭發(fā)生尾部碰撞時(shí)，全船均使用映射網(wǎng)格，尾封板按0.15m劃分，尾尖艙外板、骨架、甲板及平臺(tái)按0.3 m劃分，機(jī)艙段構(gòu)件均按0.6 m劃分，貨艙段構(gòu)件均按1 m劃分，船首構(gòu)件均按2 m劃分。

表2 材料模型參數(shù)Tab.2 Parameters of material

2.2 船舶與碼頭碰撞的動(dòng)力特性研究

1）船舶與碼頭首碰的動(dòng)力特性研究從圖2可以看出，應(yīng)力主要分布在球鼻首外板前端，且4個(gè)時(shí)刻的最大應(yīng)力均超過(guò)了材料屈服應(yīng)力，球鼻首外板前端將發(fā)生塑性應(yīng)變，與此同時(shí)，球鼻首外板前端在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生明顯的凹陷。

圖2 不同時(shí)刻船首外板等效應(yīng)力云圖Fig.2 Stress cloud diagram of the bow plate at different time

圖3 碰撞力時(shí)程曲線Fig.3 Time history curve of collision force

圖3 為船-碼頭首碰的碰撞力時(shí)程曲線，曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性，0.06～0.38 s，碰撞力在振蕩中呈現(xiàn)小幅上升的趨勢(shì)，因?yàn)樵谂鲎策^(guò)程中，不斷有材料發(fā)生屈服，之后不斷有材料進(jìn)入塑性應(yīng)變階段。0.38～0.46 s，碰撞力呈現(xiàn)迅速上升的趨勢(shì)，主要原因是球鼻首前端因變形的緣故而與碼頭護(hù)舷表面充分接觸，球鼻首前端大面積的外板及骨架在擠壓作用下發(fā)生應(yīng)變。0.46～0.97 s，碰撞力維持在一定范圍內(nèi)振蕩，這是因?yàn)榇八俣仍诖藭r(shí)已接近0，擠壓作用既不減弱，也不再明顯增強(qiáng)。當(dāng)船舶速度減為0之后，在彈性力的作用下，船舶開(kāi)始反向加速，在反向加速的過(guò)程中，船舶與碼頭的擠壓效果和接觸面積均不斷減小，所以0.97 s之后，碰撞力逐漸下降，直至減為0。圖4為船舶與碼頭發(fā)生首碰時(shí)，船首不同構(gòu)件的變形能時(shí)程曲線，變形能曲線在達(dá)到最大值后，先出現(xiàn)小幅下降，然后再保持不變。其中，變形能小幅下降是彈性形變恢復(fù)的結(jié)果，最后曲線保持不變的部分即為構(gòu)件塑性變形的變形能。

圖4 船首各構(gòu)件變形能時(shí)程曲線Fig.4 Deformation energy time history curve of the bow

2）船與碼頭尾碰的動(dòng)力特性研究

從圖5可以看出，曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性，碰撞力從0.04 s開(kāi)始出現(xiàn)，船舶表面與碼頭在此時(shí)發(fā)生接觸。結(jié)合碰撞力時(shí)程曲線分析碰撞過(guò)程，0.04～0.08 s，碰撞力急劇上升，這是因?yàn)榕鲎查_(kāi)始時(shí)刻船體和碼頭就已經(jīng)充分接觸，且此時(shí)船舶速度最大，船體與碼頭發(fā)生相互擠壓，大面積的尾封板在該段時(shí)間內(nèi)發(fā)生應(yīng)變。0.08 s～0.27 s，碰撞力繼續(xù)上升并伴隨著多次振蕩，最大值為5.23×107 N，0.27 s以后，碰撞力開(kāi)始逐漸下降并在0.55 s時(shí)減至0，這是因?yàn)榇八俣葴p為0以后，在彈性力的作用下，船舶開(kāi)始反向加速，在反向加速的過(guò)程中，船舶與碼頭的擠壓效果和接觸面積均不斷減小，當(dāng)碰撞力減為0時(shí)，表明船舶與碼頭已完全脫離接觸。

圖5 碰撞力時(shí)程曲線Fig.5 Timehistory curve of collision force

從圖6可以看出，變形能曲線在達(dá)到最大值后，先出現(xiàn)小幅下降，然后再保持不變。其中，變形能小幅下降是彈性形變恢復(fù)的結(jié)果，最后曲線保持不變的部分，即為構(gòu)件塑性變形的變形能。另一方面，尾封板吸收的變形能要遠(yuǎn)大于其他構(gòu)件，吸能過(guò)程發(fā)揮主導(dǎo)作用，因此，若要增強(qiáng)船體尾部與碼頭碰撞時(shí)的耐撞性，可采取增加尾封板厚度或采用高強(qiáng)度鋼等措施，更要提高船尾內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，進(jìn)一步提高船舶的耐撞性。

圖6 船尾各構(gòu)件變形能時(shí)程曲線Fig.6 Deformation energy time history curve of the stern

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)模擬船舶以0.8m/s的初速度分別與碼頭發(fā)生首碰的工況，研究船舶在不同碰撞工況下的應(yīng)力分布、塑性應(yīng)變分布、碰撞力時(shí)程曲線、變形能時(shí)程曲線等，探討船舶-碼頭碰撞過(guò)程的動(dòng)力特性，主要結(jié)論如下：

1）船舶與碼頭發(fā)生首碰時(shí)，應(yīng)力主要分布在船首，貨艙段及船尾未出現(xiàn)明顯應(yīng)力分布，碰撞過(guò)程中主要受力構(gòu)件為船首外板及船首骨架。

2）船舶與碼頭發(fā)生相互碰撞時(shí)，主要受力構(gòu)件和次要受力構(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)存在較大差異，主要受力構(gòu)件的應(yīng)力分布特點(diǎn)是分布面積小，維持時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)力數(shù)值大；次要受力構(gòu)件的應(yīng)力分布特點(diǎn)是分布面積大，維持時(shí)間較短，應(yīng)力數(shù)值小。但是，由于應(yīng)力集中部分的作用，次要構(gòu)件也達(dá)到較大的應(yīng)力。

3）船舶與碼頭發(fā)生首碰時(shí)，球鼻首前端會(huì)發(fā)生凹陷，若不修復(fù)則會(huì)影響船舶的阻力性能，碰撞過(guò)程中，首部外板及骨架會(huì)發(fā)生變形，可能會(huì)對(duì)附近的人員、設(shè)備等造成傷害，實(shí)際工程中應(yīng)該給予足夠的重視。