漁船與碼頭碰撞的仿真分析

張兆德，張 彥

（1. 浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316000；2. 浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江 舟山 316000）

0 引 言

由于漁船數量不斷增加，并且進出港頻繁，漁船與碼頭端部碰撞的風險在持續增加，導致碰撞事故頻頻發生。碰撞事故不僅影響漁船安全，也會給碼頭造成危險，故有必要對漁船與碼頭的碰撞損傷情況進行研究，一方面有利于漁船結構的耐撞設計，另一方面還可以對海損事故進行評估。

目前對船與碼頭碰撞問題的研究因碼頭結構不同而有所區別。王翔等[1]采用流固耦合法對靠泊船舶跟浮式碼頭的碰撞進行了模擬仿真；張穎[2]采用ANSYS/LS-DYNA程序建立有限元仿真模型，并考慮土的彈塑性以及樁土流固耦合作用，研究了結構剛度、船舶質量、初始速度、撞擊角度以及橡膠護舷對高樁碼頭所受碰撞力的影響；張淑華等[3]對5000噸級雜貨船撞擊3萬t泊位高樁碼頭做了仿真分析，并研究碰撞中的能量轉化情況和作用力；鄧雷飛等[4]以3萬噸級散貨船平行靠泊高樁碼頭為例模擬了船舶撞擊碼頭的全過程，并研究了碰撞中的動力響應以及碼頭損傷情況；陸志慧等[5]對8.5萬t集裝箱船跟鋼管板樁碼頭碰撞進行了數值模擬，并研究了不同速度下的碼頭撞擊情況。李磊等[6]對漁船與橋墩的碰撞過程進行了模擬，分析了速度、質量對碰撞的影響。本文借助Patran/Dytran軟件對漁船與碼頭的碰撞過程進行了仿真分析，用以研究漁船碰撞特性。

1 有限元模型

1.1 漁船模型

漁船排水量為520t，漁船總長47.60m，型深3.70m，型寬7.00m，設計吃水為2.90m，設計航速11kn。漁船船首采用細化的網格，包括外板、橫框架、縱框架、甲板等[7]；而船體中后部遠離碰撞區網格劃分比較粗，這部分受碰撞影響小，變形也小，僅建立外板殼單元，并采用剛性材料。全船質量分布在船體各個單元上，并且重心位于中縱剖面上。漁船結構與板厚等均與實船一致。漁船速度為 5.66m/s。漁船有限元模型見圖 1。考慮船舶周圍流體介質對碰撞的影響主要通過附連水質量體現，附連水質量以附加質量密度形式施加到船體上。漁船模型主要做進退運動，故只考慮進退運動方向的附連水質量取0.02～0.07m[8]（m為漁船質量）。

1.2 碼頭模型

碼頭為桁架式，采用框架高樁結構形式。碼頭長度為 25.2m，承臺共有 10根直樁，每根樁的直徑為φ1m，每根樁的長度為35m，上承臺端截面尺寸9.0m×0.5m，下承臺端截面尺寸9.0m×0.8m。由鋼筋混凝土結構組成，并且主要采用C30混凝土材料。后方上承臺端面與擋土墻連接，建模時不考慮其與擋土墻之間的作用，對其施加端面垂向約束來代替。模型忽略樁腿與土體相互作用，用樁端施加固定約束代替。碼頭模型采用八節點六面體單元。因為研究對象主要是漁船，故對碼頭有限元模型進行簡化處理，計算中為考慮混凝土中鋼筋的影響。碼頭有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型

1.3 材料模型

漁船首部是主要的撞擊損傷部位，采用彈塑性材料模型，中后部遠離碰撞區則采用剛性材料。考慮到應變率對材料的影響，所采用的材料本構關系式如下：

碼頭材料模型選用的是混凝土帽蓋模型[12]（見圖2），該模型能夠反映混凝土材料在碰撞中的變化。混凝土有限元模型的材料參數有：材料密度ρ為 2700kg/m3；剪切模量G為1.1× 1010N/m3；體積模量K為1.4× 1010N/m3；破壞包絡線參數α為2.7× 107；破壞包絡線線性參數θ為0.11；破壞包絡線指數參數γ為8× 106；破壞包絡線指數β為1.4× 10-7；硬化帽面長短軸比R為4.43；硬化法則指數D為4.6×10-10；硬化法則系數W為0.42；硬化法則指數X0為1.1×108。

圖2 混凝土帽蓋模型

2 計算結果分析

2.1 碰撞能量轉化

漁船與碼頭碰撞系統的總能量來自兩個方面：1) 漁船本身的動能；2) 附連水質量所提供的動能。圖3為能量時間曲線。從該曲線圖上可看出碰撞開始前系統總能量為8.51×106J，碰撞發生后系統的動能迅速減小，而系統的變形能迅速增加，系統的沙漏能也逐漸增大，當碰撞結束后，系統各能量趨于穩定。從碰撞開始到漁船與碼頭分離時即0.926s（撞擊力為零的時刻）時刻系統動能損失了8.44×106J，系統中漁船和碼頭的塑性變形能是 7.65×106J，占動能損失的 90.64%，另一小部分大約 9.36%的動能則損失在沙漏能、阻尼能和摩擦能中。另外，系統中沙漏能占總能量比值低于10%，滿足沙漏能控制要求，本模擬計算結果有效。

由圖3可知，碼頭變形能很小，是由于碼頭剛性比漁船剛性強，在碰撞過程中產生的塑性變形比較小，吸收的能量少，由此可得出碰撞中吸收的能量主要還是來自于漁船首部結構產生的塑性變形，而碼頭吸收的能量相對于漁船來說非常少。

2.2 船首構件吸能情況

為了更好地研究漁船的碰撞損傷特性，有必要對船首構件吸能情況進行分析。圖4為漁船船首各構件的變形能時程曲線，該曲線圖反映了漁船在撞擊碼頭的過程中船首各構件隨時間變化的能量吸收情況。從圖4可知，各構件在碰撞中隨時間的推移，吸能逐漸增加；圖4中顯示外板的吸能最多，說明外板是最主要的吸能構件，其次是橫框架、甲板、縱框架；碰撞初期甲板未參與到碰撞中并未產生變形，故吸能很小，隨著碰撞進行，甲板逐漸遭到變形失效，吸能漸漸增加，最后反超縱框架，說明后期甲板單元越來越多地參與到碰撞中；同時也反映出構件吸能的先后順序：外板，縱框架，橫框架，甲板。

圖3 能量-時間曲線

圖4 漁船船首各構件變形能-時間曲線

以撞擊力減小為0作為碰撞結束時刻（即0.926s時刻），漁船船首各構件的吸能情況見表1，充分反映了船首各構件的吸能情況。說明在后期漁船船首結構設計時，應根據船首構件吸能特點合理增厚主要吸能構件厚度以增強船首剛度、減小船首碰撞損傷。

表1 船首構件吸能占船首總吸能百分比

2.3 碰撞力

碰撞發生的時間極短，在碰撞進行的過程中，模型中不斷地有構件、單元的失效或破壞發生，在圖5曲線上表現出不斷地上下起伏即為船首結構產生多次的卸載現象，同時也反映漁船碰撞具有很強的非線性特性。碰撞開始時首先接觸的是船艏舷墻外板，船艏舷墻外板參與抵抗，使碰撞力快速增大，但隨著舷墻外板遭受變形失效，首部舷墻結構的剛度也不斷減小，碰撞力也會不斷降低。隨著碰撞的持續進行，首部舷墻的加強結構如縱框架、內層板，以及附近的舷墻型材等開始逐漸參與到碰撞中，碰撞力又開始逐漸增加；在0.447s后，這些構件中的單元開始逐漸變形或失效，碰撞力逐漸減小；在0.67s后，甲板部位構件參與到碰撞中，碰撞力又迅速增加，當達到一定值后甲板單元又開始出現變形失效，碰撞力又再次逐漸減小≈0。從碰撞力時程曲線圖上可以看出碰撞力的最大值為7.216MN，碰撞力最大值所對應的時間為0.447s。

圖5 碰撞力-時間曲線

2.4 變形

2.4.1 漁船船首變形

漁船在碰撞過程中船首會遭到塑性變形失效，主要發生在船首碰撞接觸區，而遠離碰撞區的構件基本沒有發生塑性變形。隨著碰撞地進行，損傷區逐漸加大，最先遭受損傷的是外板，接著是船首舷墻部位構件，最后是甲板及甲板構件，逐層變形失效。圖6依次為0.03s、0.1s、0.2s、0.4s、0.782s及0.9s各個時刻漁船船首變形云圖，反映出隨著位移的不斷增大，船首變形越來越大，船首逐漸被壓潰到船體中。云圖中顯示漁船的最大變形是在0.782s（漁船速度≈0），最大變形為2.52m。

圖6 漁船首部變形云圖

2.4.2 碼頭變形

通過計算分析得出，碼頭在碰撞中產生的變形與位移比漁船小很多。如圖7所示為0.782s時刻（漁船速度已≈0）碼頭的變形云圖，此時碼頭的最大位移僅為98.8mm，可見變形很小，基本不再對碼頭產生較大損傷，主要原因是碼頭的剛度比漁船剛度大。

圖7 碼頭變形云圖

圖8 碼頭應力云圖

2.5 碼頭應力

通過計算結果分析得知：碼頭應力較大的區域為撞擊端、上部與擋土墻連接處的固定端、樁腿下端部以及樁腿上端部。撞擊端產生高應力區是由于碰撞造成的集中載荷引起的，此應力區可能造成混凝土材料斷裂失效，對平臺造成損傷。遠離碰撞區的上部固定端產生高應力區是由于碰撞中產生的撞擊力對碼頭擠壓造成的。樁腿上端部產生高應力區是由于碰撞使其向后傾斜彎曲造成的。樁腿下部的高應力區是由于碰撞使其受拉導致的。碼頭的最大應力出現在碰撞區附近，最大應力值為2.40MPa（見圖8），而C30混凝土材料的抗壓強度約為20MPa，可見撞擊時碼頭的結構應力小于破壞應力，碼頭在碰撞過程中不會破壞。

3 結 語

1）碰撞過程中，漁船船首損傷變形較大，碼頭損傷變形較小，系統損失的動能主要是轉化為變形能，另一小部分損失在沙漏能、阻尼能及摩擦能中；

2）在漁船船首構件吸能方面，外板是主要的吸能構件，其次是橫框架、甲板、縱框架；并且構件吸能具有一定的先后順序，即外板，縱框架，橫框架，甲板。整個碰撞中，漁船的動能大部分轉化為船首外板的變形能。碼頭吸能很小，基本可以忽略；

3）碰撞中碼頭高應力區的產生是由碰撞力引起的，最大應力主要集中在碰撞接觸區附近，其最大值遠小于規范的計算值，碼頭偏于安全；

4）漁船與碼頭的碰撞不同于其他船舶的碰撞。由于漁船噸位一般較小以及碼頭剛度比漁船剛度大等因素，碰撞過程中往往損傷較大的是漁船，并且漁船船首舷墻外飄較大，首先受到撞擊的是舷墻，最后遭到碰撞損傷的是甲板結構，這是有別于其他船舶碰撞的；

5）通過對漁船與碼頭的碰撞模擬分析，在后期漁船船首結構耐撞性設計時，應根據漁船碰撞特性、船首構件吸能特性及吸能先后順序，對主要吸能構件合理增加厚度以提高船首剛度，并進行結構優化設計以減小船首損傷變形；同時也為漁船海損評估提供參考。

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