船舶與浮標(biāo)碰撞的數(shù)值仿真研究

廖滿軍

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

隨著我國水運(yùn)事業(yè)的快速發(fā)展，特別是主要通航日趨繁忙[1]，船舶與浮標(biāo)的碰撞事故也時(shí)有發(fā)生，而碰撞往往會(huì)造成結(jié)構(gòu)破損，甚至沉標(biāo)。過往船舶刮擦和撞擊往往造成浮標(biāo)的失常，如果不及時(shí)打撈修理，將會(huì)對(duì)船舶安全航行造成新的威脅。因此，通過仿真模擬船舶在不同位置與不同結(jié)構(gòu)形式的浮標(biāo)進(jìn)行碰撞，為降低船舶與浮標(biāo)碰撞損失，需探討研究浮標(biāo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

國內(nèi)外對(duì)船舶碰撞研究頗多，從受撞擊對(duì)象來看可分為兩類：一類為被撞對(duì)象是靜止的，如船舶撞擊碼頭[2]、橋墩[3-4]、船舶觸底[5-6]、船閘[7]等。這類碰撞一般是船舶的剛度相對(duì)較小，能量的耗散大部分通過船舶的變形來完成從而使船舶受損嚴(yán)重，但如果撞擊對(duì)象是橋梁時(shí)，也有可能造成橋梁的破損甚至倒塌，因此也會(huì)造成嚴(yán)重的后果。另一類是被撞對(duì)象可以移動(dòng)，如船舶撞擊船舶[8]、浮式海洋平臺(tái)[9-10]、浮標(biāo)等。這類碰撞由于被撞物體碰撞后可以產(chǎn)生一定的位移，有利于能量的消耗，而且一般受損比較嚴(yán)重的時(shí)被撞物體。如果船頭與船舶側(cè)面碰撞，由于船舶側(cè)向剛度比較薄弱，被撞船的損害會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重。但國內(nèi)外對(duì)船舶與浮標(biāo)的碰撞研究幾乎空白，因此對(duì)船舶碰撞浮標(biāo)的研究有利于提高浮標(biāo)結(jié)構(gòu)的抗撞防沉性能，對(duì)提高浮標(biāo)的耐久性、可靠性、保證船舶航行安全具有重要意義。

1 仿真模型的建立

1.1 碰撞船舶和浮標(biāo)尺寸參數(shù)

本文碰撞船舶根據(jù)某航道主要規(guī)劃船型尺寸而確定。其中級(jí)船舶型號(hào)采用集裝箱船舶，其主要尺寸參數(shù)如表1 所示：

表1 船舶模型幾何尺寸

浮標(biāo)采用HF1.8-D1 型鋼制浮標(biāo)，為簡化模型對(duì)浮標(biāo)主體及以下結(jié)構(gòu)建模，燈架只考慮其質(zhì)量和慣性。浮標(biāo)主要尺寸如表2 所示：

表2 浮標(biāo)模型尺寸

在碰撞仿真中采用集裝箱船建模，根據(jù)船舶及浮標(biāo)設(shè)計(jì)的要求，在本模型中船鋼板厚度為16mm，全鋼質(zhì)浮標(biāo)鋼板厚度為8mm。

1.2 材料模型選擇和參數(shù)設(shè)置

船舶和浮標(biāo)所采用的鋼材都采用船舶專用鋼材，浮標(biāo)采用CCSA 鋼制造。對(duì)于碰撞仿真是否接近真實(shí)，首先是合理選用材料的本構(gòu)關(guān)系。碰撞有限元仿真方法的可靠性取決于準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)置以及合適的定義。為了真實(shí)地反映材料特性，本文對(duì)碰撞區(qū)球鼻艏一區(qū)和浮體尾管（見圖1）采用有限元軟件提供的塑性動(dòng)態(tài)模型，并采用Cowper—Symonds 本構(gòu)方程來考慮應(yīng)變率與屈服應(yīng)力的關(guān)系。該模型是各向同性、隨動(dòng)硬化、各向同性+隨動(dòng)硬化的混合模型，都與應(yīng)變率相關(guān)，可以考慮失效情況。對(duì)球鼻艏二區(qū)（見圖1）受碰撞影響較小采用各向同性線彈性模型，浮標(biāo)的配重鐵圈（見圖1）相對(duì)有浮標(biāo)主體和尾管來說變形很小，故采用剛性體模型。

圖1 球鼻艏和浮標(biāo)整體模型

1.3 碰撞過程中流體的處理

浮標(biāo)在短時(shí)間內(nèi)受到船舶沖擊載荷時(shí)，浮標(biāo)周圍的水在短時(shí)間內(nèi)主要起到阻礙浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)的作用，撞擊的瞬間相當(dāng)于起到質(zhì)量慣性的作用。在船舶與浮標(biāo)碰撞過程中，被撞浮標(biāo)主要發(fā)生橫漂運(yùn)動(dòng)和浮搖運(yùn)動(dòng)。

本文考慮碰撞瞬間水的作用采用附加水質(zhì)量法[11]來研究船舶與浮標(biāo)的碰撞問題。目前附加水質(zhì)量的精確計(jì)算是困難復(fù)雜的。附加水質(zhì)量可以采用經(jīng)驗(yàn)公式來估算或者切片法進(jìn)行計(jì)算。切片理論精度高于經(jīng)驗(yàn)公式，但經(jīng)驗(yàn)公式方法更為簡便。本文采用經(jīng)驗(yàn)公式來估算附加水質(zhì)量。

對(duì)于船舶撞擊浮標(biāo)，由于船舶是進(jìn)退運(yùn)動(dòng)所以附加水質(zhì)量系數(shù)取0.03，浮標(biāo)附加水質(zhì)量系數(shù)取0.4，所以在建立模型時(shí)船的質(zhì)量為1.03 倍實(shí)際質(zhì)量，浮標(biāo)為1.4倍實(shí)際質(zhì)量。

2 船撞浮標(biāo)仿真分析

2.1 船舶和浮標(biāo)模型的建立

船舶的總長度達(dá)147 米，而浮標(biāo)尺寸只有不到2 米，若對(duì)兩者進(jìn)行全尺寸整體建模，不僅建模難度相當(dāng)大而且對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備提出很高的要求，而且船舶和浮標(biāo)的模型尺寸相差太大容易造成模擬的失真，因此采用簡化模型。萬噸級(jí)船舶與浮標(biāo)碰撞屬于低速碰撞，碰撞影響的主要區(qū)域集中在碰撞點(diǎn)附近區(qū)域，而對(duì)球鼻艏以外的船體影響相當(dāng)小，所以對(duì)船舶與浮標(biāo)的碰撞模型進(jìn)行簡化，球鼻艏以外的船體質(zhì)量以質(zhì)量點(diǎn)的形式或改變部分板塊材料密度加以考慮。浮標(biāo)燈架也作簡化以質(zhì)量點(diǎn)的形式加于浮標(biāo)模型上，而流體對(duì)船舶和浮標(biāo)的影響以附加質(zhì)量的形式，均勻以改變浮標(biāo)部分板塊材料密度加于模型上。另外因?yàn)樵谂鲎仓幸哉媾鲎沧顬閲?yán)重，所以碰撞模擬采用正面碰撞模型。正面碰撞從模型結(jié)構(gòu)，受力和約束方面都關(guān)于平面對(duì)稱，船舶模型和浮標(biāo)模型可以采用對(duì)稱建模，而在結(jié)果顯示分析時(shí)采用整體模型，這樣可以減少大量的計(jì)算內(nèi)存和時(shí)間。

有限元仿真計(jì)算精度取決于網(wǎng)格的大小，網(wǎng)格劃分過于細(xì)密會(huì)增加計(jì)算時(shí)長，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致程序自動(dòng)中止，而粗糙的網(wǎng)格有時(shí)難以捕捉單元的斷裂失效行為，通常高估結(jié)構(gòu)的耐撞性能，因此在保證邊界條件、材料等參數(shù)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，多次試算及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，保證計(jì)算精確度能滿足工程設(shè)計(jì)要求前提下，合理優(yōu)化碰撞區(qū)網(wǎng)格的質(zhì)量。在本模型中對(duì)碰撞區(qū)附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，這樣就能更加精確真實(shí)地模擬碰撞區(qū)附近的應(yīng)力和變形（見圖2～3）。

圖2 船首模型

圖3 浮標(biāo)模型

2.2 仿真結(jié)果分析

本文通過對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)形式及碰撞浮標(biāo)兩個(gè)部位四種工況（如圖4）進(jìn)行對(duì)比分析。船與浮標(biāo)之間有30mm 的初始距離，船頭運(yùn)動(dòng)速度為3m/s，工況1、工況3 碰撞位置距浮標(biāo)主體頂部15cm，工況2、工況4 則距浮標(biāo)主體底部15cm。

圖4 船舶與浮標(biāo)碰撞工況圖

由圖5～8 所示，隨著碰撞時(shí)間的推移，船舶的球鼻艏對(duì)浮標(biāo)產(chǎn)生激烈的碰撞及擠壓，浮標(biāo)碰撞區(qū)周圍的部分單元應(yīng)力已經(jīng)大大超過了鋼材的屈服應(yīng)力235MPa，進(jìn)入了塑性變形階段，浮標(biāo)下壁板部分單元甚至超過了屈服極限。且在船舶與浮標(biāo)的碰撞過程中，船舶所受的應(yīng)力和變形相當(dāng)少。碰撞對(duì)萬噸級(jí)船舶，只有碰撞點(diǎn)附近的應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)較大值，而遠(yuǎn)離碰撞點(diǎn)的區(qū)域，船所受的應(yīng)力應(yīng)變較小，所以對(duì)萬噸級(jí)船進(jìn)行簡化是完成可行且不影響計(jì)算結(jié)果。

圖5 C-B-1 最大應(yīng)力云圖

從圖9 中可以得出工況1、3 的碰撞點(diǎn)最大應(yīng)力大于工況2、4，圖5 與圖6，圖7 與圖8 對(duì)比可以看出兩種浮標(biāo)結(jié)構(gòu)形式在碰撞后，撞擊浮標(biāo)下部要比撞擊上部產(chǎn)生的變形要?jiǎng)×业枚?，符合常?guī)理解范疇。彈性應(yīng)變是在應(yīng)力消失后可以恢復(fù)的變形，圖11 中在0.1S～0.13S段四種工況的彈性應(yīng)變基本相同，但在0.13S 以后工況1、3 的彈性變形比工況2、4 波動(dòng)劇烈，浮標(biāo)通過反復(fù)的彈性變形來達(dá)到能量的耗散，這對(duì)浮標(biāo)的材質(zhì)提出較高的要求。

圖6 C-B-3 最大應(yīng)力云圖

圖7 C-B-2 最大應(yīng)力云圖

圖8 C-B-4 最大應(yīng)力云圖

圖9 碰撞力時(shí)間歷程曲線1

圖10 碰撞力時(shí)間歷程曲線2

圖11 碰撞點(diǎn)彈性應(yīng)變曲線

從碰撞點(diǎn)的位移來看，圖12 中可看出工況2、4 的位移值為均比工況1、3 大，所以船舶撞擊浮標(biāo)上部時(shí)，浮標(biāo)繞重心產(chǎn)生較大的位移及轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在一定程度上將碰撞能量轉(zhuǎn)化為浮標(biāo)的動(dòng)能，同時(shí)才會(huì)出現(xiàn)圖9 所示的情況。從碰撞位置來看，撞擊浮標(biāo)下部對(duì)浮標(biāo)的損害更加嚴(yán)重，從兩種結(jié)構(gòu)形式來看，浮標(biāo)的最大應(yīng)力值相近，但雙肋浮標(biāo)在一定程度上抑制應(yīng)力的擴(kuò)散，且兩者在浮標(biāo)主體與尾管連接部位都產(chǎn)生較大的應(yīng)力及變形。

圖12 碰撞點(diǎn)位移曲線

3 結(jié)論

通過模擬船舶撞擊浮標(biāo)可得，一般船舶主要撞擊浮標(biāo)上部對(duì)浮標(biāo)不會(huì)造成破壞性損壞，考慮到正向撞擊的可能性較小，實(shí)際情況撞擊應(yīng)力相比模擬值會(huì)更小，浮標(biāo)碰撞更偏于安全。船舶撞擊浮標(biāo)下部應(yīng)力應(yīng)變值是撞擊浮標(biāo)上部應(yīng)力應(yīng)變值的1.4 倍左右。因此，要對(duì)浮標(biāo)標(biāo)體的下部進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化或采取其他措施，減少碰撞損傷和對(duì)標(biāo)體的破壞，下面提出三種改善措施：

（1）改變浮標(biāo)主體的外部形狀，以避免船舶撞擊浮標(biāo)下部造成對(duì)浮標(biāo)的損傷（如錐形）；

（2）在對(duì)浮標(biāo)的薄弱區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固處理。通過仿真分析，可以從浮標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尾管和肋板連接處進(jìn)行加固處理；

（3）應(yīng)用高分子新型材料（如玻璃鋼）。利用耐撞抗腐蝕的新材料對(duì)鋼浮標(biāo)進(jìn)行包裹處理，可以大大提高浮標(biāo)的抗撞性能和使用壽命。