船舶碰撞損傷影響因素研究綜述

朱躍鵬 周利坤 龔方圓 焦玉萍

（武警后勤學(xué)院 后勤保障系 天津 300309）

0 引 言

船舶碰撞是船體結(jié)構(gòu)在極短時間內(nèi)受到巨大沖擊作用的一種非線性動態(tài)響應(yīng)過程，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、持續(xù)時間短且沖擊載荷大等特點[1]。碰撞可能會導(dǎo)致人員傷亡、爆炸及溢油等嚴(yán)重后果。因此，開展船舶碰撞損傷研究對增加船舶航行的安全性以及保護水面環(huán)境具有積極意義。

船舶碰撞按碰撞區(qū)域可分為近海和遠海碰撞，其區(qū)別主要體現(xiàn)在被撞物體距離海岸的遠近。近海主要有：小型船舶之間的碰撞、船舶的擱淺與觸礁，以及船舶與橋墩或者船舶與碼頭的碰撞。遠海主要有：大型船舶間的碰撞、船舶與海上平臺結(jié)構(gòu)以及船舶與冰的碰撞。

兩船舶之間的碰撞是多維度的復(fù)雜問題，受到諸多因素影響，諸如船首剛度和形狀、舷側(cè)結(jié)構(gòu)、運動狀態(tài)、相對噸位、撞擊位置、撞擊區(qū)間、貨物載荷以及外部環(huán)境等。本文從撞擊船的船首、船結(jié)構(gòu)和兩船的相對運動狀態(tài)這3 個方面進行綜述，闡述船舶碰撞的主要損傷因素及其研究現(xiàn)狀，并對船舶碰撞損傷將來的研究方向提出展望。

1 船舶碰撞損傷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

1.1.1 撞擊船的首部形狀和剛度

德國WOISIN[2]開展大規(guī)模碰撞試驗，采用1∶12和1∶7.5 這2 種模型比例，共進行12 次高速船舶碰撞試驗，探究船首形狀（圖1 為前傾型和球鼻型船首）對船舶耐撞性的影響。試驗結(jié)果表明：船首形狀對碰撞結(jié)果影響很大，表現(xiàn)在舷側(cè)損傷形狀、接觸面引起的局部碰撞力的大小和碰撞效果上，其中球鼻型船首的碰撞損傷相對較大。

圖1 前傾型和球鼻型船首的有限元模型

日本ITO 等[3]進行了5 組靜力試驗，將船首視為剛性模型，研究前傾型船首和球鼻型船首撞擊雙殼舷側(cè)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷差異。結(jié)果顯示：船首形狀對雙殼船結(jié)構(gòu)損傷產(chǎn)生直接影響，并且主要體現(xiàn)在撞擊深度和碰撞形狀上。

韓國PAIK 等[4]利用有限元法對影響大型油船船舷耐撞性的多個因素進行模擬分析。結(jié)果顯示：碰撞過程中，結(jié)構(gòu)吸收能量與撞入船首的體積成線性遞增關(guān)系；撞入船首的體積越大，碰撞造成的相對損傷越小。

瑞典HOGSTR?M 等[5]在全面探討影響碰撞的因素中提出：船首的形狀對碰撞損傷的產(chǎn)生結(jié)果影響最大；“剛性船首”的假設(shè)既不夠細致，也達不到深入研究的標(biāo)準(zhǔn)，實際碰撞場景分析應(yīng)該針對非剛性船首。

挪威HARIS 等[6]將船首進行剛性處理，討論球鼻型船首的曲率對船舷撞擊阻力的影響。分析得出：碰撞初始時阻力相似，而后差異逐步明顯，曲率大的球鼻型船首對外殼的破裂深度幾乎是曲率小的船首的2 倍。

船首和舷側(cè)結(jié)構(gòu)的剛度相差很大，但為簡化計算，往往將船首簡化成剛性并視為不發(fā)生塑性形變。然而，隨著研究深入，學(xué)者們提出船首剛度對損傷的影響不可忽視。

挪威HARIS 等[7]使用LS-DYNA 軟件對船舶碰撞的近似模擬情況進行分析，對比分析了非剛性船首和剛性船首的能量吸收情況。得出結(jié)論：非剛性船首在碰撞中吸收了約13%的能量，有效降低了碰撞損傷。

韓國KO 等[8]提出：雖然撞擊船的首部結(jié)構(gòu)較被撞擊船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)硬度大很多，但碰撞過程中也會吸收能量。使用有限元法模擬雙殼油輪碰撞（如圖2 所示），結(jié)合碰撞角度和速度，可尋求非剛性船首在碰撞過程中的耗散能量貢獻。得出結(jié)論：剛性船首比非剛性船首具有更強穿透力，且隨著兩船相對速度的增加，影響越明顯。

圖2 雙殼油輪非剛性船首有限元模型

馬來西亞ABUBAKAR 等[9]考慮到船首非剛性對碰撞結(jié)果產(chǎn)生的影響，將船首剛度作為新的簡化分析參數(shù)進行船舶碰撞速度和角度損壞預(yù)測，建立完整的船舶有限元模型研究碰撞期間的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，根據(jù)計算結(jié)果推導(dǎo)出最大應(yīng)力簡化解析公式。得出結(jié)論：船首剛度系數(shù)R與最大撞擊力成正比，即船首越堅固，造成損傷的后果越嚴(yán)重。

1.1.2 被撞船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)

韓國PAIK 等[4]考慮因碰撞情況不同產(chǎn)生的屈服、壓碎和撕裂過程差異，并對船舶碰撞舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷進行研究。舷側(cè)結(jié)構(gòu)損壞過程為橫梁和縱桁首先被壓碎，隨后外殼板破裂，內(nèi)殼板進入膜張力狀態(tài)，直至破裂。結(jié)論為：內(nèi)外板之間的距離對于損傷有較大影響，內(nèi)殼相較于外殼強度對損傷的影響更大。

挪威HARIS 等[7]分析舷側(cè)結(jié)構(gòu)在碰撞中，各部件吸收能量的能力。得出結(jié)論：主梁和外殼吸收能量較多，且外殼在某一撞深處吸收能量呈二次增長,這是外殼加筋板上的作用結(jié)果，內(nèi)殼能量吸收很小。

瑞典HOGSTR?M 等[10]改進雙殼船結(jié)構(gòu)，從提高碰撞深度和強度角度出發(fā)，分別選取波紋結(jié)構(gòu)、X 芯結(jié)構(gòu)和Y 芯結(jié)構(gòu)同雙殼船現(xiàn)有結(jié)構(gòu)耐撞性能比較（如圖3 所示）。分析得出：X 芯結(jié)構(gòu)自身重且成本高，但吸收能量和撞擊深度表現(xiàn)較好，具有較好的整體碰撞性能。

圖3 雙殼船不同結(jié)構(gòu)耐撞性能比較

韓國PRABOWO 等[11-12]對雙殼客船的結(jié)構(gòu)進行了碰撞研究，選取單殼和雙殼結(jié)構(gòu)船舶進行碰撞性能分析并且比較2 種不同的雙殼船尺寸對碰撞損傷的影響。研究得出：雙殼較單殼結(jié)構(gòu)能量吸收多，其中縱板加強結(jié)構(gòu)貢獻較多。內(nèi)殼結(jié)構(gòu)對船舶抗撞性能有較大提高，內(nèi)外殼之間的距離越小，對船體結(jié)構(gòu)損傷越明顯?？梢?，從安全性角度出發(fā)，雙殼船結(jié)構(gòu)較為安全。

1.1.3 兩船的相對運動狀態(tài)

MINORSKY[13]就碰撞船舶航行速度對碰撞損傷的影響進行模擬分析，航行速度設(shè)定為16 kn 或10 kn，分析指出被撞船速度為16 kn 時，受損區(qū)域面積增長33%，但損傷深度較小。

韓國PAIK 等[4]在研究船舶碰撞舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷時發(fā)現(xiàn)，碰撞速度對船體結(jié)構(gòu)吸收能量的大小影響較小，但速度增加會產(chǎn)生更多的碰撞能量，導(dǎo)致更大的碰撞損傷。

日本KITAMURA[14]對分析船舶碰撞中的不確定性因素進行有限元分析驗證，指出：當(dāng)被撞船在舷側(cè)結(jié)構(gòu)中沒有縱向和主要橫向結(jié)構(gòu)時，被撞船的前進速度對船舷損傷和撞擊船首有較大影響。

芬蘭TABRI 等[15]開展了船與固定物之間的碰撞船舶模擬實驗，用聚酯氨泡沫和沖擊球模擬船舷遭遇球鼻型船首撞擊，探究兩船質(zhì)量比和相對速度對損傷的影響。分析指出：兩船質(zhì)量比是主要影響因素，影響途徑是碰撞總能量；相對速度是次要影響因素，影響途徑是結(jié)構(gòu)崩潰形式。

瑞典HOGSTR?M 等[5]在全面探討影響碰撞的因素中提出：撞擊船的速度對碰撞結(jié)果產(chǎn)生重大影響，決定著結(jié)構(gòu)吸收的動能量，碰撞角的分析應(yīng)當(dāng)針對不同的船體結(jié)構(gòu)進行。

韓國PRABOWO 等[16-19]多次討論碰撞參數(shù)在船舶碰撞損傷中的影響，以碰撞角度和速度為變量（參見圖4），分析各甲板的吸收能量、撕裂長度和變形程度。得出結(jié)論：撞擊角度對船舶損傷有重要影響，主要體現(xiàn)在能量大小和分配上。90°碰撞時產(chǎn)生的能量最大，但用于破壞結(jié)構(gòu)能量最小，主要轉(zhuǎn)換為內(nèi)能。速度對碰撞平均能量產(chǎn)生倍數(shù)影響，對船體耐撞性有顯著影響。

圖4 碰撞相對運動狀態(tài)示意圖

馬來西亞ABUBAKAR 等[9]模擬研究碰撞角度和速度對船舶碰撞對結(jié)構(gòu)損傷的影響，結(jié)果顯示：在0° ~ 90°范圍內(nèi)，碰撞角度越大，沖擊力越高；超過60°時，角度對沖擊力影響逐步變小。較高的速度會導(dǎo)致更嚴(yán)重的危害，速度是碰撞損傷最主要的原因。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.2.1 撞擊船的首部形狀和剛度

劉敬喜等[20]對船首剛度影響船體損傷進行模擬研究，研究結(jié)論為：船首剛度對損傷有較大影響，這是由于舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷形式以及撞擊力大小和卸載形式、撞擊深度變化引起的。

胡宗文等[21]建立碰撞模型，通過改變球鼻型船首材料參數(shù)，研究剛度對舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能的影響，得出結(jié)論：非剛性船首能夠吸收碰撞總能量的20%，對減小損傷有積極作用；但若船首和船側(cè)剛度相差超過一定范圍，則對碰撞性能影響不明顯。

劉昆等[22]深入研究船首形狀對被撞船舷側(cè)損傷的影響，對不同曲率的球鼻型船首和不同張角的前傾型船首（如圖5 所示）撞擊舷側(cè)結(jié)構(gòu)進行有限元數(shù)值模擬，分析了船側(cè)結(jié)構(gòu)的撞擊力、撞擊形狀、撞擊深度和能量大小等，得出結(jié)論：船首形狀對撞擊損傷有重要影響，球鼻型船首曲率越大或常規(guī)船首張角越小，碰撞損傷越大。

圖5 張角不同的前傾型船首有限元模型

劉偉光等[23]探討不同形狀的船首在撞擊單舷結(jié)構(gòu)時的斷裂和吸能機理，用錐形和楔形壓頭模擬前傾型船首和球鼻型船首撞擊小型單舷側(cè)船結(jié)構(gòu)加筋板。實驗結(jié)果表明：單舷船舶結(jié)構(gòu)在2 個不同形狀壓頭沖擊下的耐撞性有顯著差別，在錐形壓頭壓痕下吸收更多能量，具有更強的抗碰撞能力。

劉斌等[24]研究非剛性船首對雙殼船結(jié)構(gòu)碰撞力的影響。研究得出：剛性船首和非剛性船首吸收的總能量大小相近，這是由于船首的變形程度小，能量吸收主要是被撞船舶的塑性變形和破裂。

1.2.2 被撞船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)

王自力等[25]通過對集裝箱船舶雙層結(jié)構(gòu)在剛性船首碰撞下的損傷過程進行非線性動態(tài)分析，探討了舷側(cè)結(jié)構(gòu)各個組件的吸能特性和損傷特點。分析得出：舷側(cè)結(jié)構(gòu)變形能是最主要的動能轉(zhuǎn)化，結(jié)構(gòu)損傷以局部變形為主，主要吸能構(gòu)件是外板和舷側(cè)肋板。

肖桃云等[26]對2 艘化學(xué)品船在能量損失最大情況下的碰撞響應(yīng)進行有限元數(shù)值仿真，研究舷側(cè)的碰撞損傷，分析舷側(cè)能量損失和各構(gòu)件的吸能貢獻。研究結(jié)論：碰撞損失的動能大多數(shù)轉(zhuǎn)換為兩船的內(nèi)能，船首和舷側(cè)吸能比約為3∶7，外板是吸能貢獻最大的構(gòu)件。

崔濛等[27]開展帽型加筋結(jié)構(gòu)的失效模式和吸能大小試驗研究，主要研究加筋結(jié)構(gòu)的吸能大小。研究表明：帽型加筋板較光板吸能力顯著增加，能明顯提升船舷的耐撞性。

彭正梁等[28]研究碰撞時舷側(cè)結(jié)構(gòu)的主要吸能構(gòu)件的響應(yīng)特點，開展落錘沖擊舷側(cè)結(jié)構(gòu)沖擊實驗校準(zhǔn)有限元模型。研究表明：損傷集中在碰撞位置，間接接觸區(qū)域為整體彎曲變形，增加外板厚度可顯著提高耐撞性能。不過，從結(jié)構(gòu)輕量化角度出發(fā),加大外板骨材尺寸或減小間距結(jié)構(gòu)更為合理。

姚鵬[29]通過改變SPS 板結(jié)構(gòu)的上下面板和芯層尺寸提高SPS 板結(jié)構(gòu)的耐撞性能，對改進后的SPS舷側(cè)結(jié)構(gòu)（如圖6 所示）進行碰撞仿真，對比分析變形損傷、撞擊力和結(jié)構(gòu)吸能，所得結(jié)論為：原結(jié)構(gòu)和SPS 結(jié)構(gòu)碰撞力曲線變化趨勢基本一致，但SPS碰撞力峰值高、吸能力更強，碰撞性能約提升13%。

圖6 SPS 夾層結(jié)構(gòu)試件

1.2.3 兩船的相對運動狀態(tài)

王自力等[30]指出，以往所研究的碰撞條件固定且具有局限性，撞擊角度與速度的改變會導(dǎo)致不同的損傷結(jié)果，研究結(jié)果：撞擊角度對平均碰撞力影響不大，但對最大碰撞力有較大影響，在90°時最大碰撞力達到峰值。

張季平等[31]建立單舷結(jié)構(gòu)與剛性球碰撞模型，模擬內(nèi)河船舶的抗撞性能，主要探討了速度對損傷程度的影響。得出結(jié)論：速度增大，碰撞力也會增大，船側(cè)結(jié)構(gòu)局部失效，從而發(fā)生局部損傷。

劉昆等[32]建立全耦合技術(shù)船舶碰撞模型，以外板破裂為臨界條件，對不同撞擊角度下的船舶極限撞擊速度進行研究，并描繪出角度、速度的極限速度曲線，作為安全角度和速度的分界線撞擊。隨著角度的增大，船舶極限撞擊速度明顯降低。角度為15° ~ 50°時，對極限撞擊速度的影響很大，呈急速下降；50° ~ 90°時，影響較小。

王澤平等[33]針對船舶碰撞更為普遍的斜碰撞情形，研究角度對結(jié)構(gòu)損傷的影響，碰撞角度設(shè)置為30°、45°和60°。在此3 種情況下，被撞船撞擊深度相同時，對應(yīng)的阻力基本一致，但最大撞擊深度成正比增加。

詹蓉等[34]根據(jù)船舶的臨界撞擊速度公式，結(jié)合數(shù)值仿真量化評估船首和機艙在直角撞擊時（如圖7 所示），撞擊船噸位的臨界速度曲線，劃定船舶在內(nèi)河航行時排水量和撞擊速度的安全區(qū)間。隨著撞擊船排水量的提高，極限撞擊速度減小，影響程度逐步減小。

圖7 船舶撞擊首部示意圖

1.3 碰撞影響因素研究結(jié)論

根據(jù)眾多學(xué)者對船舶碰撞的多年研究，總結(jié)如下：撞擊船的船首、被撞船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)以及兩船的相對運動狀態(tài)都會影響船舶碰撞損傷，而且3 種因素之間也會互相影響。

1.3.1 3 種因素對碰撞損傷的影響

撞擊船的首部對船舶碰撞損傷影響主要體現(xiàn)在2 個方面：一是船首形狀，二是船首剛度。撞擊船的首部形狀差異會導(dǎo)致舷側(cè)吸收能量的著力點不同，使被撞船舷側(cè)形成不同的破裂形狀；在船舶碰撞中，船首是主動作用方，較被撞船舷側(cè)剛度差距大，但在船舶實際碰撞過程中，船首產(chǎn)生的變形也會吸收部分動能。

被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)變形消耗約80%沖擊能量，是最主要的能量耗散方式。結(jié)構(gòu)損傷集中在碰撞區(qū)域，間接接觸區(qū)域為整體彎曲。舷側(cè)結(jié)構(gòu)破壞順序是:橫梁和縱桁首先被壓碎，此時船首剛性減??；隨后外殼板破裂，船首剛性增加，內(nèi)殼板進入膜張力狀態(tài)，直至破裂。外殼板是最主要的吸能構(gòu)件，吸收約50%能量；其次是舷側(cè)肋板，吸收約20%。

兩船相對運動狀態(tài)決定碰撞產(chǎn)生的總能量和耗散去向。撞擊船直接決定沖擊能量的大小和速度，是損傷的最主要原因，被撞船速度會影響撞擊深度和損傷面積。兩船的碰撞角度決定動能用于破壞結(jié)構(gòu)能量大小和船首、船舷的能量分配。

1.3.2 3 種因素的相互影響

船首形狀決定被撞舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷形態(tài)。舷側(cè)破壞集中在船首碰撞區(qū)域，間接接觸區(qū)域為整體彎曲。

撞擊船速度影響舷側(cè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。碰撞速度使材料應(yīng)變速率增大，導(dǎo)致構(gòu)件的屈服應(yīng)力和抗壓強度增大，而臨界斷裂應(yīng)變減小。

被撞船速度導(dǎo)致船首發(fā)生彎曲。當(dāng)撞擊船為球鼻型船首時，球鼻型船首前側(cè)單位接觸面積的抗壓強度較大，而根部彎曲能力有限，從而引起船首彎曲。

2 減少船舶碰撞損傷對策

分析船舶碰撞損傷影響因素問題，主要目的是為了掌握船舶碰撞過程中的碰撞損傷機理及能量耗散方式，在此基礎(chǔ)上最大程度減少船舶碰撞造成的嚴(yán)重后果。主要有以下3 種途徑：一是優(yōu)化船首結(jié)構(gòu)設(shè)計；二是增強舷側(cè)結(jié)構(gòu)強度；三是駕駛船舶應(yīng)急操縱。

2.1 優(yōu)化船首結(jié)構(gòu)設(shè)計

優(yōu)化船首結(jié)構(gòu)設(shè)計，以確保結(jié)構(gòu)在能夠承受常規(guī)載荷的前提下適當(dāng)減小縱向剛度,使其在撞擊時造成的損傷后果減小。

目前，優(yōu)化船首結(jié)構(gòu)設(shè)計主要方案是緩沖船首，但仍處于起步階段。緩沖船首概念最早由船舶工業(yè)改進協(xié)會（association for structural improvement of the shipbuilding industry, ASIS）提出，并在20 世紀(jì)90 年代將緩沖船首結(jié)構(gòu)原型的初步設(shè)計運用于大型貨輪。日本的ENDO 等[35]、KITAMURA[36]曾先后強調(diào)了緩沖船首的重要性，相關(guān)社團也在2001—2005 年研究緩沖船首結(jié)構(gòu)設(shè)計，但研究成果尚未公布。

SEA-Arrow（簡稱SA）船首應(yīng)用了緩沖船首橫向加強結(jié)構(gòu)的理念，具有較低的縱向剛度。日本YAGI 等[37]分析了SA 船首與普通球鼻型船首的吸能力，得出結(jié)論：SA 船首吸能力較強。原因是SA船首無凸起部分，接觸面積較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形。

江華濤等[38-40]對緩沖船首結(jié)構(gòu)進行初步概念探討，得出以下結(jié)論：在滿足其他條件后，從減少碰撞損傷角度出發(fā)，球鼻型船首曲率越小或前傾型船首張角越大，碰撞緩沖效果越明顯。橫向框架結(jié)構(gòu)使球鼻型船首在碰撞中吸收更多能量。 高強度鋼材料可減少板厚，增大壓潰程度，減少被撞船側(cè)損傷。

李松[41]提出棱柱形緩沖船首（如圖8 所示），并通過有限元數(shù)值仿真驗證其有效性。模擬分析得出：棱柱形緩沖船首能承受更多的接觸力、吸收更大的碰撞能量，可有效減輕碰撞損傷。

圖8 棱柱形緩沖船首結(jié)構(gòu)圖

緩沖船首是從保護環(huán)境的全局意識及減小被撞船舷側(cè)損傷角度提出的，設(shè)計思想是增加船首的吸能力以減少被撞船舷側(cè)的能量吸收，且船首較船側(cè)的壓潰強度小，優(yōu)化途徑主要從船首外殼形狀、材料和改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式出發(fā)。

該方案優(yōu)點主要有：

（1） 碰撞中，船首吸收較多能量，船首相對堅固，降低了整體碰撞的損失；

（2）優(yōu)化船首結(jié)構(gòu)所需材料少、成本低；

（3）改變船首形狀對船的總縱彎矩影響較小，不需要重新進行應(yīng)力分析和整體尺寸設(shè)計。

然而，該方案缺點也較為明顯：

（1）降低船首的壓潰強度和縱向剛度導(dǎo)致船與剛度較大的物體（如橋梁、暗礁和冰等）發(fā)生碰撞時，船首更容易破損；

（2）改變船首形狀會降低船的航行速度；

（3）船在海面航行時，船首對海浪的抗擊性能減小，船舶的使用周期縮短，維護要求更高。

2.2 增強舷側(cè)結(jié)構(gòu)強度

通過增強舷側(cè)結(jié)構(gòu)強度來提高船體的耐撞性能，從而減小結(jié)構(gòu)的損傷程度。新型結(jié)構(gòu)形式是改善舷側(cè)結(jié)構(gòu)強度的主要手段。

提出以減少船舶碰撞損傷為目的的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的是韓國PAIK 等[42]。其指出船舶結(jié)構(gòu)安全性和船舶碰撞損傷密切相關(guān)，并認為Y 型舷側(cè)結(jié)構(gòu)有較好的應(yīng)用能力。丹麥LUDOLPHY[43]針對Y 型結(jié)構(gòu)提出1 種加強筋，使耐撞性能有了顯著提高。韓國LEE 等[44]提出2 種NOAHS 和NOAHS II耐撞性結(jié)構(gòu)，其基本思路是改變傳統(tǒng)雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)連接內(nèi)外板結(jié)構(gòu)，其中NOAHS II 使用圓管結(jié)構(gòu)連接。美國BROWN[45]改變水平桁和肋骨的數(shù)目、尺寸以提高舷側(cè)結(jié)構(gòu)強度。德國LEHMANN 等[46]檢驗裝有奧式體鋼結(jié)構(gòu)雙殼體船的碰撞性能，認為奧式體鋼結(jié)構(gòu)增強了耐撞性能。

王自力等提出以夾層板代替?zhèn)鹘y(tǒng)外板和強衍材，改變夾層板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列順序，設(shè)計出蜂窩式和折疊式夾層板[47]。其還提出，可通過在單層舷側(cè)填充泡沫塑料薄壁方管來提高結(jié)構(gòu)耐撞性能；并將縱骨延長至內(nèi)板，使內(nèi)外板間形成支撐，得到IFP 結(jié)構(gòu)，研究得出新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)比普通舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性能更好。[48]

藺曉紅等[49]改變舷側(cè)縱桁，提出帽型、菱形和半圓管形這3 種舷側(cè)結(jié)構(gòu)，并進行數(shù)值仿真分析，分析得出半圓管式縱桁結(jié)構(gòu)有較好的耐撞性。

李慧等[50]對圓管式夾層板結(jié)構(gòu)（如圖9 所示）進行尺寸優(yōu)化，控制船體質(zhì)量的增加，為新型結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。

圖9 圓管式夾層板結(jié)構(gòu)

減少碰撞損傷的新型結(jié)構(gòu)形式設(shè)計主要有以下3 種途徑：改進船舶舷側(cè)構(gòu)件的幾何尺寸；在船體結(jié)構(gòu)中填充材料以增大吸能；改變船舶的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計出耐撞性能更佳的結(jié)構(gòu)。

該方案主要優(yōu)點：

（1）增強了船體對海浪的抗擊性能，使用周期延長；

（2）船體對于暗礁、浮冰、固定平臺等碰撞事故的抵抗性能增強；

（3）對船整體航行速度影響較小。

主要缺點：

（1）改變船體結(jié)構(gòu)或增加填充材料會增加船舶本身的質(zhì)量，增加航行中的能量消耗；

（2）需要重新對船的總縱彎矩和整體強度進行測試，增加了設(shè)計成本；

（3）優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)需要較多材料，增加了制造成本。

2.3 駕駛船舶應(yīng)急操作

通過應(yīng)急操縱等操作避開最危險的碰撞區(qū)域，并改變船舶碰撞態(tài)勢，從而減小碰撞損傷。

黃穎等[51]基于碰撞位置和角度，提出碰撞能量損失二維權(quán)指表，為應(yīng)急操作提供理論決策依據(jù)。

劉亞斌[52]以損失能量為基礎(chǔ)，考慮撞擊位置和撞擊速度的損失權(quán)重作為船舶能量損失評價標(biāo)準(zhǔn)，對不可避免碰撞下的應(yīng)急操縱提供指導(dǎo)。

李慧等[53]對船舶碰撞事故進行仿真分析，研究船舶碰撞參數(shù)對碰撞損傷的影響，并界定碰撞損傷臨界速度和角度。

當(dāng)前對于降低碰撞損傷的應(yīng)急操作往往停留于理論研究，缺乏詳盡系統(tǒng)的研究。

3 船舶碰撞損傷研究展望

（1）協(xié)調(diào)緩沖船首剛度與變形度之間的關(guān)系。通過對緩沖船首結(jié)構(gòu)進一步研究，完善船首形狀、縱向剛度以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的最優(yōu)組合，從而建立國際標(biāo)準(zhǔn)的緩沖球船首的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

（2）協(xié)調(diào)提高船舶耐撞性能和船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加之間的矛盾關(guān)系。新型結(jié)構(gòu)設(shè)計，既要滿足耐撞性的提高，又不能大幅增加結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量。復(fù)合材料質(zhì)量輕、機械性能好，可根據(jù)產(chǎn)品需要調(diào)整材料本身特點，新型材料在減小船舶損傷方面有巨大的應(yīng)用前景。

（3）協(xié)調(diào)應(yīng)急操作與舵手能力不足的關(guān)系。不可避免碰撞下，往往會導(dǎo)致人身心緊張，操作更容易出現(xiàn)失誤。通過將自動識別系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、人工智能/機器學(xué)習(xí)的相關(guān)理論進行有效結(jié)合,開發(fā)船舶智能避碰系統(tǒng)，可最大程度減少船舶碰撞損傷。