基于低速碰撞下的三用工作船船體結構響應分析＊

李俊來 謝永和 陳景昊 吳衛國

（浙江海洋學院船海學院1） 舟山 316022） （武漢理工大學交通學院2） 武漢 430063）

隨著海洋技術的不斷發展，海洋資源的爭奪變得日益激烈，越來越多的海洋平臺、海工輔助船舶參與生產和運輸［1－2］.由于海上工程作業時工作環境復雜惡劣，除去正常的工作荷載和環境荷載之外，船舶與平臺結構的碰撞等意外事故時有發生，特別是船舶與平臺樁腿的碰撞、上部結構的墜物與平臺甲板之間的撞擊等.因此，正確評估各種碰撞事故對海工輔助船舶的損傷已經成為海洋工程研究中的一個熱點問題［3－4］.

三用工作船是一種集海上拖帶、平臺供應、對外消防等功能于一體的多功能船舶，兼有海上救助、海上平臺守護、幫助海上設施布錨及起錨等功能，這類船舶經常在海上平臺附近作業、靠泊.由于作業中風、浪、流等環境的影響和人員操作的原因，船舶與平臺樁腿間的碰撞事故常有發生.船舶在實際作業中與平臺的碰撞情況十分復雜，而且影響因素較多［5］.本文重在研究船舶在各種海況下停靠平臺及在平臺邊作業時發生的碰撞，分析該類低速碰撞下的船體結構響應，為今后海工輔助船舶的設計提供一個實際參考依據.

1 船舶與海上平臺發生碰撞的描述

根據牛頓第二運動定律，船舶與平臺樁腿發生碰撞時，在碰撞力F（Fξ，Fη）的作用下，撞擊船體的運動方程表達為

式中：Ma為撞擊船體質量；分別為x，y方向的線加速度為繞重心的角加速度.

船舶與海上平臺發生碰撞示意圖見圖1.

圖1 船舶與海上平臺發生碰撞示意圖

要準確地模擬船舶與平臺的碰撞問題，需要同時滿足下面4個物理條件：（1）碰撞物體的總能量和總動量守恒（假設在碰撞過程中沒有其他能量、動量的輸入或耗散）；（2）互不相容條件，即碰撞物體之間的空間位置不能重疊；（3）作用力平衡條件，即碰撞物體之間的作用力等于反作用力；（4）庫侖條件，若接觸面間存在滑動，則需要添加庫侖摩擦力.

船與平臺的碰撞問題是一個非線性動態響應過程，結構材料的應力應變在碰撞過程中很快超過彈性范圍進入塑性流動階段，這就涉及動載作用下材料的彈塑性本構關系，與靜載作用相比，彈塑性材料在動載作用下的本構關系具有一系列不同的力學特性［6］.因此，船舶與海洋平臺發生碰撞時，將船體視為彈塑性材料結構，樁腿視為剛性材料結構.

根據整體系統能量守恒規律可得，船體和平臺的變形所吸收的變形能為

式中：E0為船體的初始動能；Es為碰撞結束時船體的動能；Ep為碰撞結束時平臺的動能.

式中：k11，k12，k21為剛度系數；Mp為平臺的質量；

ja為繞重心轉動的附加慣性矩系數；Ra為繞重心的慣性半徑.

選取78m三用途工作船為研究對象，全焊接鋼質船體，混合骨架式，具有一層連續主甲板，船體采用CCSA級鋼.全船艏、尾部分為單層底，其余均為雙底、雙殼結構，雙層底高1 500mm，內外舷間距1 200mm；并設有7根雙層底縱桁.

2 有限元模型

2.1 模型范圍

利用Patran軟件進行三用工作船的有限元建模及后處理，Dytran軟件進行計算.在建模仿真中，碰撞接觸區模型進行細化，細化艙段模型的范圍從肋位Fr46到肋位Fr65，垂向范圍為船體型深，碰撞有限元模型的節點總數為39 862，單元總數為50 375個.各船體構件全部采用板單元模擬.被撞平臺為某導管架平臺，僅建立被撞樁腿有限元模型，有限元模型見圖2.

圖2 三用工作船有限元模型碰撞示意圖

2.2 邊界條件與模擬工況

坐標系統采用右手坐標系，原點位于Fr0船底中線處，在x軸向船首為正方向，y軸向左舷為正方向，z軸向上為正方向.樁腿模型的上下兩端和三用工作船的中橫剖面均需約束，邊界條件見表1.

表1 邊界條件

計算中，材料密度ρ＝7.85×103kg／m3，彈性模量E ＝2.1×1011Pa，屈服強度σs取235MPa，泊松比υ＝0.3.采用最大塑性應變作為材料的破壞準則.根據海況的惡劣情況，研究不同碰撞速度下的船舶損傷.有限元計算中分別以一定的船舶側向速度模擬各工況與海洋平臺發生碰撞，碰撞開始前舷側與樁腿相距40mm.見表2.

表2 計算工況

2.3 計算結果

考慮船舶與平臺碰撞問題是一種非常復雜的非線性瞬態響應過程，碰撞中單樁結構強度較弱，數值模擬中把樁腿設為剛體結構，在本碰撞模型計算中，考慮到低速情況下船舶與海洋平臺發生正碰，則相對滑動較少，暫不考慮兩者的摩擦，計算中主要分析了碰撞這一瞬態過程中對船體結構產生的應力σmax、變形Δlmax及瞬態碰撞力Fmax.各種工況下船體碰撞模型的有限元計算結果見表3.部分船體結構的碰撞應力與變形云圖見圖3～6.

表3 各種工況下的船體結構響應

圖3 碰撞1.0s時的船體應力云圖（LC1）

圖4 碰撞1.0s時的船體應力云圖分布（LC2）

圖5 碰撞0.8s時船體變形云圖（LC2）

圖6 碰撞0.8s時船體變形云圖（LC3）

3 分析與結論

根據表3計算結果顯示可知，在無浪或微浪環境下，三用工作船橫向停靠海洋平臺時的碰撞船體結構無損傷，僅有輕微變形，基本可以忽略不計.隨著海況情況變差，船舶與平臺發生碰撞的速度會隨之變大，海況越惡劣，碰撞速度變得越大，船體與海上平臺碰撞時產生的碰撞力越大，船體結構的應力和變形也越大，結構的損傷危害越大.

3.1 碰撞力隨時間的變化

由于工況LC1碰撞速度非常小，在發生碰撞的時間內的碰撞力也很小，基本可以對船體本身不會造成損傷.所以，本文就針對碰撞速度在0.5，1，2及4m／s 4種工況下做具體比較分析.碰撞力隨時間的變化的F－t曲線見圖7.

圖7 各工況碰撞力隨時間變化F－t曲線圖

由圖7可知，碰撞速度的增加，船舶的動能增加，碰撞力的卸載次數增加，結構變形的能量儲存也增加，所以，碰撞速度的增加會使船舶與平臺間的碰撞過程更加激烈.碰撞中船體結構損傷變形的區域也變大，內部結構損傷會隨之增加，因此，碰撞速度對碰撞力的影響非常顯著.但是速度增加對碰撞的作用時間的影響并不明顯.

3.2 碰撞系統能量隨時間變化情況

圖8為各工況下系統能量隨時間變化曲線.由圖8可見，三用工作船與平臺發生碰撞過程中系統的動能先減小后增大，結構變形能先增加后減少，總能量損失即剩余能量消耗逐漸加大.海況越好，發生橫向碰撞時速度越小，能量損失越小，整個過程越接近完全彈性碰撞，船舶初始動能可以基本轉化為船舶相反方向的剩余動能，結構的碰撞損傷越小.隨著海況的變差，發生碰撞的速度增加，船舶經碰撞后的剩余動能越小，轉化為結構的變形能越多，船體結構的碰撞損傷越嚴重.

圖8 各工況下系統能量隨時間變化J－t曲線

4 結 論

1）船與平臺的碰撞應力和變形集中于碰撞區域.發生碰撞時，船舶結構的損傷變形主要發生在碰撞區域附近，離碰撞接觸區越遠，結構碰撞變形越小，結構越安全，甚至可以不必考慮碰撞損傷變形.

2）碰撞速度對結構碰撞損傷影響顯著.隨著海上海況變差，船舶與海上平臺的碰撞速度增加，結構發生碰撞損傷變形的機會也大大增加，最大碰撞力也增加較大.因此在船舶各種海上停靠作業操作過程中，建議可以適當增加船體兩舷與平臺樁腿之間的接觸摩擦并做好接觸摩擦防護，可減小兩者之間的碰撞速度，從而盡可能的減少碰撞損傷.另外，還需加強駕駛人員的操作技能培訓，提高船舶停靠平臺的精準度，減少駕駛的誤操作.

3）碰撞速度對船體能量轉化的影響較大.碰撞速度小，系統的動能轉化為結構變形能越少，能量損失也較小，隨速度增加，結構的變形會越來越大.

4）在海洋工程船舶的設計中，設計者必須考慮惡劣海況作業下發生的低速碰撞，尤其是必須考慮到碰撞接觸部位的容易損傷結構，如舷頂列板及下部舭列板.為減小碰撞的結構損傷，設計中必須進行防撞加強以增加該部位的抗撞性能.

［1］黃智翔，沈達博.近海油田三用工作船改建及其經濟性分析［J］.浙江海洋學院學報：自然科學版，2011，30（4）：363－366.

［2］龔順風.海洋平臺結構碰撞損傷及可靠性與疲勞壽命評估研究［D］.杭州：浙江大學，2003.

［3］王自力，顧永寧.船舶碰撞動力學過程的數值仿真研究［J］.爆炸與沖擊，2001，21（1）：29－34.

［4］福 萍.船舶與海洋平臺碰撞響應與結構損傷分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011.

［5］甘 進，潘 晉，吳衛國，等.船舶與導管架平臺碰撞的動力響應研究［J］.船海工程，2009，38（5）：153－161.

［6］嚴慶新.船舶碰撞危險度評判模型［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2002，26（2）：220－222.