撞擊船艏剛度對船體結構碰撞性能影響

胡宗文，劉 昆，王自力

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

隨著世界航運業的持續發展，水上交通日益繁忙，船舶碰撞與擱淺事故時有發生，而該種事故往往造成船體結構破損、貨物泄漏、環境污染、人員傷亡等災難性后果[1-2]。目前對船舶碰撞問題研究主要集中在船舶碰撞性能分析與耐撞結構設計兩方面[3-4]。兩者實際緊密相關，前者為基礎，后者為目的。已有基于船舶舷側結構、船首形狀等對船舶碰撞性能開展的大量研究[5-8]，提出夾層板舷側、CCT型雙殼舷側及新型LPG舷側等多種耐撞結構[9-11]，很大程度上能提高結構的耐撞性能。對被撞船碰撞性能分析時，一般假設船艏結構剛度遠高于舷側，忽略船艏結構變形，將撞擊船艏部簡化為理想剛性撞頭。對船體局部結構碰撞性能的模型試驗較多，Cho等[12]利用鐘擺式沖擊試驗裝置對船體加筋板架碰撞性能進行研究，Paik等[13]對船體雙殼結構模型進行低速沖擊實驗，梅志遠等[14]利用落錘沖擊裝置對潛艇單雙殼體結構模型進行碰撞沖擊試驗。以所得碰撞力、損傷變形、能量吸收等碰撞參數均與數值仿真或簡化解析公式結果較一致，但此處理方法大多將撞頭簡化為剛度很大(近似剛性)結構，忽略撞頭結構本身變形及吸能能力。亦有在研究碰撞問題時考慮撞擊船變形，建立較詳細的艏部模型[15-17]，由此會增加計算時間，提高計算難度；因此，選擇合理的船艏剛度對船舶碰撞問題研究具有一定現實意義。

為比較撞擊船艏部剛度影響，本文采用非線性數值仿真分析技術，模擬159,000 DWT雙殼油船被176,000 DWT散貨船船艏正撞場景，分別將撞擊船艏部選取實際柔性材料及剛性材料，比較被撞結構在碰撞力、損傷變形、能量吸收等撞擊參數區別，重點研究撞擊船艏部剛度對碰撞性能影響，研究成果可指導碰撞性能分析。

1 碰撞場景

本文碰撞場景選具有球鼻艏的176,000 DWT散貨船垂直撞擊159,000 DWT雙殼油輪，兩船主要參數見表1。選兩船滿載出港工況為計算工況，發生碰撞時垂向相對位置發生在舷側水平縱桁上，縱向位置選油船舯部艙段中間位置，初始撞擊速度取v=10 m/s，見圖1。

圖1 碰撞場景

表1 碰撞船舶主要參數

2 剛性與柔性船艏撞擊對舷側結構碰撞性能比較

2.1 計算方案及有限元模型

撞擊船艏部材料分別采用實際材料及剛性材料，比較實際柔性船艏與簡化剛性船艏撞擊下被撞舷側結構損傷機理及能量吸收差別。有限元模型見圖2。船用低碳鋼密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，屈服應力σ0=235 MPa。當單元等效塑性應變超過定義的極限塑性應變時，單元發生斷裂失效。單元材料斷裂應變極限值受單元網格尺度影響，據網格大小、材料屬性取斷裂極限應變ε=0.3[5]。

圖2 有限元模型

由于船舶碰撞為具有強非線性瞬態過程，船用鋼材在高應變率下具有明顯的動力特性，故在材料模型中計及應變率敏感性影響，本文選與實驗數據吻合較好的Cowper-Symonds本構方程[18]，即

(1)

2.2 計算結果比較

2.2.1 碰撞力

剛性與實際柔性船艏撞擊下碰撞力曲線見圖3。由圖3發現：與剛性船艏相比，柔性船艏撞擊時碰撞力曲線非線性特點更明顯；兩條曲線趨勢基本一致，柔性船艏撞擊時碰撞力在每個峰值與谷值均較剛性滯后，且隨撞深的增加，滯后現象更明顯；實際柔性船艏撞擊下碰撞力峰值與極限撞深(對單殼舷側結構指外板破裂時刻撞擊深度，對雙殼舷側結構則指內殼板破裂時刻撞擊深度)均有所提高。圖中峰值點A、B分別對應兩船艏撞擊下極限撞深時的碰撞力；由此看出，A點碰撞力較B點高近16 MN，極限撞深增加1.09 m。實際結構船艏撞擊下碰撞力與極限撞深的大幅提高，表明將撞擊船艏部作為剛性處理相對保守。

圖3 碰撞力-撞深曲線

2.2.2 損傷變形

舷側外板及強框架在兩船艏撞擊下極限撞深時損傷變形見圖4。由圖4看出：結構變形損傷模式，舷側外板為膜拉伸、撕裂，強框架為壓皺、面內彎曲及壓潰斷裂。不同剛度船艏撞擊基本未改變碰撞區域構件的損傷變形模式，但變形范圍及程度，實際結構船艏撞擊下均大很多。

2.2.3 能量吸收

不同剛度球鼻型船艏撞擊下舷側結構吸能曲線見圖5。由圖5看出，兩條曲線基本重合。但因柔性船艏撞擊下舷側結構極限撞深顯著增加，極限撞深時舷側吸能必遠高于剛性船艏撞擊時所吸收能量。

極限撞深時兩船艏撞擊下結構吸能情況見表2。由表2看出，① 實際柔性船艏撞擊下舷側各構件所吸能量均大幅增加，可充分發揮各構件吸能能力；② 實際柔性船艏撞擊下舷側結構總吸能高于剛性船艏。前者112.73 MJ，后者僅82.14 MJ，前者超出后者近38%；③ 實際船艏因自身損傷變形所吸能量為29.03 MJ，約占總吸能的20%，損失的動能自然遠高于剛性船艏。

圖4 不同剛度船艏撞擊下舷側外板、強框架損傷變形

圖5 舷側吸能-撞深曲線

表2 極限撞深時結構吸能

3 撞擊船艏部剛度對舷側結構碰撞性能影響

由以上比較看出，簡化剛性船艏與實際柔性船艏撞擊下被撞船舷側結構在極限撞深、碰撞力、損傷變形及能量吸收等方面存在明顯差異；因此本文系統研究不同剛度撞擊船艏對被撞舷側結構碰撞性能影響。

3.1 計算方案及有限元模型

由于撞擊船碰撞接觸區域主要集中于艏部球鼻，故通過改變材料及板厚簡化獲得4種具有不同剛度球鼻，通過壓潰試驗獲得壓皺強度并分別替換原撞擊船艏部球鼻撞擊原被撞船舷側結構，通過撞擊球鼻不同壓潰強度表示不同剛度，撞擊位置及撞擊參數同第2節。簡化球鼻有限元模型及各球鼻參數分別見圖6、表3。

表3 不同球鼻材料參數

3.2 不同球鼻壓潰強度

3.2.1 壓潰強度計算

由于結構軸向受壓時響應不穩定，載荷-變形曲線呈現重復形態，軸向總位移大大超過第一峰值載荷對應位置。理論研究常忽略載荷-變形曲線的波動而用其平均值Pm。為避免人為誤差，求解Pm時用球鼻變形能除以壓潰深度計算平均壓潰載荷Pm[20-21]，即

(2)

(3)

3.2.2 不同球鼻壓潰強度計算

為計算4個不同材料參數球鼻的壓潰強度，用有限元數值仿真方法對球鼻進行壓潰實驗，計算獲得各自平均強度值。球鼻壓潰試驗[2]照片見圖7，實驗球鼻固定于剛性平臺，通過上下兩剛性平臺相向運動施加壓潰載荷，實時記錄該載荷及壓潰行程，計算獲得球鼻壓潰強度。本文采用該方法計算不同剛度球鼻的壓潰載荷，利用數值仿真軟件建立有限元模型見圖8。模型采用剛性重物以較低速度壓潰船艏球鼻，剛性墻用4節點四邊形板殼單元，重錘用8節點六面體單元，球鼻末端與剛性墻連接。

不同強度球鼻壓潰載荷比較見圖10，該曲線反映球鼻的動態損傷過程。由圖10看出，受重錘沖擊時，球鼻響應不穩定，載荷-變形曲線呈現重復的不規則周期變化形態；不同球鼻載荷-位移曲線的峰值不同，隨各構件厚度及屈服應力的增大而提高。

船艏球鼻受壓潰后動態漸進屈曲過程見圖11。由圖11看出，球鼻的屈曲為軸對稱模式，皺折(屈曲)由上端開始形成，并向下傳播，最后變形情況與文獻較一致。據式(2)、(3)及載荷-位移曲線，計算獲得4個艏部球鼻的等效壓潰強度值：球鼻a為1.42 MPa，球鼻b為2.45 MPa，球鼻c為3.58 MPa，球鼻d為5.03 MPa。

圖6 船艏模型

圖10 不同球鼻壓潰強度載荷-位移曲線

圖11 船艏球鼻壓潰時序變形過程

3.3 球鼻剛度對舷側結構碰撞性能影響

求出4種球鼻剛度后，將其分別應用于撞擊船艏部，研究不同剛度的艏部球鼻撞擊對船體結構碰撞性能影響。

3.3.1 極限撞深

不同剛度球鼻船艏撞擊下極限撞深隨球鼻平均壓潰強度變化曲線見圖13。由圖13曲線看出：① 隨平均壓潰強度的增加，撞擊船剛度越大，被撞船舷側結構極限撞深逐漸下降，即越易破壞；② 球鼻剛度對極限撞深影響較大，σm=1.42 MPa時撞擊船艏部球鼻被嚴重壓潰而被撞船舷側內板并未破裂，σm=5.03 MPa時極限撞深為2.89 m；③ 球鼻b，c，d的極限撞深相差不大，說明強度增加到一定程度后對船體碰撞性能無明顯影響。隨強度繼續增加，此曲線將接近水平，因此在船艏球鼻剛度相對被撞結構超過一定范圍后可作為剛性材料處理。

3.3.2 碰撞力

碰撞力隨船艏球鼻壓潰強度變化關系曲線見圖14。其中不同剛度球鼻的船艏撞擊下，極限撞深時碰撞力見圖14(a)。由圖14(a)看出，隨球鼻剛度的增大，碰撞力不斷下降，與各自極限撞深密切相關，球鼻剛度越大，其撞擊下舷側結構極限撞深越小，舷側參與碰撞的構件與區域亦相應減小，極限撞深時碰撞力自然下降。圖14(b)為撞深2.8 m時各船艏碰撞力關系，隨船艏球鼻剛度的增大，碰撞力不斷提高。即相同撞深下，球鼻剛度增大，對舷側結構的沖擊損傷程度更嚴重，舷側產生的抵抗力增大，碰撞力提高。

3.3.3 能量吸收

不同剛度球鼻船艏撞擊下舷側結構吸能-撞深關系曲線見圖15。由圖15看出，隨撞擊船艏部球鼻的剛度不斷增大，相同撞深下被撞船舷側結構吸能量相應提高。比較圖15中4條曲線，除具有球鼻a的船艏撞擊時吸能較少外，其余三條曲線變化趨勢基本一致，且能量吸收相差不大。此因撞擊船艏部剛度不同所致，球鼻a強度最小，在碰撞過程中自身發生嚴重壓潰變形，使舷側損傷變形相對較小，所吸能量自然較少，隨剛度的不斷增大，抵抗破壞能力不斷增強，舷側結構損傷變形程度不斷增大，其吸能隨之提高。由于球鼻b，c，d的剛度相對舷側結構大很多，舷側損傷變形程度相差不大，故三條曲線較接近。

不同剛度船艏撞擊下極限撞深時被撞船各構件的吸能比較見表4。對球鼻a，因其本身強度較小，撞擊時被撞舷側內板未發生破裂，即未達到極限撞深。

圖13 極限撞深隨球鼻強度曲線

表4 極限撞深時能量吸收比較

4 結 論

(1) 實際柔性船艏在碰撞過程中不僅參與變形吸收部分能量，且會增大變形損傷范圍，使被撞船極限撞深增加，極限撞深時被撞船吸能提高，碰撞力曲線較剛性時非線性更明顯，且每個峰值均呈現偏高、滯后特點。

(2) 實際柔性船艏僅在碰撞接觸區域發生一定程度變形，在極限撞深時其吸收的能量約為被撞船舷側結構的20%，且仍完整性保持較好，表明改進撞擊船艏部結構也可有效提高船舶碰撞的安全性。

(3) 船艏剛度對舷側碰撞性能影響具有明顯規律性。隨船艏剛度的不斷增大，極限撞深逐漸下降，碰撞力不斷提高，相同撞深下被撞舷側結構吸能量愈多。

(4) 船艏剛度相對被撞舷側結構超過一定范圍后，被撞舷側損傷變形程度相差不大，船艏對船體結構碰撞性能無明顯影響，船艏可用剛性材料處理。

[1] Pedersen P T.Review and application of ship collision and grounding analysis procedures[J].Marine Structures, 2010, 23(3):241-262.

[2] Yamada Y.Bulbous buffer bow: a measure to reduce oil spill in tanker collisions[D].PhD Thesis, DTU, 2006.

[3] 胡志強，崔維成．船舶碰撞研究機理與耐撞性結構設計研究總綜述[J]．船舶力學，2005(2):131-142.

HU Zhi-qiang, CUI Wei-cheng.Review of the research on the ship mechanisms and the structure designs against collision[J].Journal of Ship Mechanics, 2005(2):131-142.

[4] 王自力，顧永寧．船舶碰撞研究的現狀和趨勢[J]．造船技術，2000(4):7-12.

WANG Zi-li, GU Yong-ning.The status and trends of ship collision research[J].Journal Of Marine Technology, 2000(4):7-12.

[5] 王自力, 顧永寧.超大型油船雙殼舷側結構的碰撞性能研究[J].中國造船, 2002, 43(3): 58-63.

WANG Zi-li, GU Yong-ning.Studyon behavior of double-sided structure of VLCC in collisions[J].Shipbuilding of China, 2002, 43(3): 58-63.

[6] 胡志強, 高震, 顧永寧.Y型浮式生產儲油輪船側結構耐撞性[J].上海交通大學學報,2005,39(5): 706-710.

HU Zhi-qiang,GAO Zhen,GU Yong-ning.Research on the crashworthiness of a Y-shape side structure design for FPSO[J].Journal of Shanghai Jiaotong University, 2005, 39(5): 706-710.

[7] Kim J Y, Wook L J.On the structural energy absorbing system for double hull tanker[C].Proc.of the 7thInternational Marine Design Conference, 2000: 305-312.

[8] 劉昆, 張延昌, 王自力.船首形狀對舷側結構碰撞性能影響研究[J].船舶工程, 2010, 32(2): 12-14.

LIU Kun, ZHANG Yan-chang, WANG Zi-li.Study on the influence of bow shape to the side structure during ship collision[J].Ship Engineering, 2010, 32(2): 12-14.

[9] 王自力, 張延昌.基于夾層板的單殼船體結構耐撞性設計[J].中國造船, 2008, 49(1): 60-65.

WANG Zi-li,ZHANG Yan-chang.Singlehull ship structure crashworthy design based on sandwich panel[J].Ship Building of China, 2008, 49(1): 60-65.

[10] 王自力, 顧永寧.提高VLCC側向抗撞能力的一種新式雙殼結構[J].船舶力學, 2002, 6(1): 27-36.

WANG Zi-li, GU Yong-ning.Acrashworthy type of double hull structure of VLCC[J].Journal of Ship Mechanics, 2002, 6(1): 27-36.

[11] 王自力, 顧永寧.LPG船的一種新型舷側耐撞結構研究[J].船舶工程, 2001(2): 12-14.

WANG Zi-li, GU Yong-ning.Acrashworthy side structure for single hull LPG carrier[J].Ship Engineering, 2001(2): 12-14.

[12] Cho S R, Lee H S.Experimental and analytical investigations on the response of stiffened plates subjected to lateral collisions[J].Marine Structures, 2009, 22(1):84-95.

[13] Paik J K, Seo J K.A method for progressive structural crashworthiness analysis under collisions and grounding[J].Thin-Walled Structures,2007,45(1):15-23.

[14] 梅志遠, 李卓.單雙殼體典型結構耐撞特性模型試驗研究及仿真分析[J].船舶力學, 2011,15(11): 1248- 1254.

MEI Zhi-yuan,LI Zhuo.Experimental and numerical research for impact-resistance characteristic of double or single shell structure in water[J].Journal of Ship Mechanics, 2011,15(11):1248-1254.

[15] Wang Li-li, Yang Li-ming, Huang De-jin, et al.An impact dynamics analysis on a new crashworthy device against ship-bridge collision[J].International Journal of Impact Engineering,2008,35(8):895-904.

[16] 程正順, 胡志強, 楊建民.半潛式平臺結構抗撞性能研究[J].振動與沖擊, 2012, 31(4): 38-43.

CHENG Zheng-shun, HU Zhi-qiang, YANG Jian-min.Structural anti-collision capability of a semi-submersible platform[J].Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(4): 38-43.

[17] Kitamura O.FEM approach to the simulation of collision and grounding damage[J].Marine Structures,2002, 15(4/5):403-428.

[18] Chung P W, Kumar K T, Namburu R R．Asymptotic expansion homogenization for heterogeneous media: computational issues and applications[J]．Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2001, 32(9): 1291-1301．

[19] 王自力，顧永寧．應變率敏感性對船體結構碰撞性能的影響[J]．上海交通大學學報,2000,34(12):1704-1707.

WANG Zi-li, GU Yong-ning.Effect of strain-rate sensitivity on the behavior of ship structure in collision[J].Journal of Shanghai Jiaotong University, 2000,34(12):1704-1707.

[20] Urban J.Crushing and fracture of lightweight structures[D].Technical University of Denmark, 2003.

[21] Jones N.Structural impact[M].Cambridge University Press, 1998.