被撞船速度對油船碰撞損傷發展形態的影響分析

張懷躍，溫小飛，池弘福

(浙江海洋學院海運與港航建筑工程學院，浙江舟山 316021)

被撞船速度對油船碰撞損傷發展形態的影響分析

張懷躍，溫小飛，池弘福

(浙江海洋學院海運與港航建筑工程學院，浙江舟山 316021)

采用了非線性有限元方法，模擬了撞擊船的不同航速條件下，在被撞船航速為0～15 kn航速范圍內發生碰撞事故，被撞船雙殼船體結構碰撞損傷的發展規律與形態特征。并分析了船-船碰撞過程中被撞船速度對雙殼船體碰撞損傷發展形態的影響，探索被撞船速度與被撞船內外殼破損時刻、被撞船損傷吸收能量等之間的內在關聯。

船舶碰撞；油船；被撞船速度；碰撞損傷；損傷發展

近年來海運業在規模上、船舶數量上不斷發展，使得在內河、沿海、遠洋等航區的航行船舶數量日益增多，很多航線變得相對擁擠，給相關海域造成了很大的生態與環境保護壓力。有研究發現,海洋環境污染中約有35%的污染物來自于船舶[1]。且據海事部門統計資料分析，2014年我國因碰撞造成的船舶噸位損失占各種事故總損失的19.5%。因此，在船舶碰撞事故中對船舶碰撞損傷發展形態進行預測與研究，對于避免海洋生態危機與海員生命財產安全而言具有重要意義。

在船舶碰撞損傷發展形態研究方面，已有許多學者做了大量探索。姜興家[2]等基于159 000 DWT油船研究了船舶碰撞位置和撞擊船速度對于船舶碰撞損傷發展的影響，但未考慮被撞船速度；劉超[3]等基于有限元仿真軟件研究了船舶碰撞過程中被撞位置的損傷情況，但未做對比；ZHANG等[4]研究了油船液艙對船舶碰撞損傷的影響；HARIS[5]，SUN[6]等提出了新的簡化方法，研究了簡化狀況下仿真與實際的偏差程度，為評估船舶的防撞性提供了依據；Gao[7],Tabri[8]等分別通過分析三種典型碰撞場景與解耦和耦合的方法研究了船舶碰撞的損傷形態；EHLERS等提出了一種結合仿真和分析的方法來研究船舶碰撞損害。在實船碰撞事故中，碰撞參數（撞擊位置、兩船速度、噸位和角度等）對船舶碰撞損傷發展都會產生不同影響；因此，進一步研究被撞船速度對船舶碰撞損傷發展的影響具有較高的研究價值。本文以7 000D WT油船為研究對象，利用非線性有限元仿真軟件LS-DYNA分析與研究滿載工況的被撞船速度對船-船碰撞過程中被撞雙殼船體結構碰撞損傷的發展規律。

1 數學模型

船舶碰撞是一個動態的、復雜的、非線性響應過程，在動態過程中各參數間存在相互關系，運用非線性有限元數值仿真軟件為研究手段，對船舶碰撞進行分析[3]。

1.1

根據連續介質力學理論，整個運動系統必然遵守質量守恒、動量守恒和能量守恒。

①質量守恒方程

式中，ρ為變化后的質量密度，kg/m3；V為變化后的體積，m3；ρ0為變化前的質量密度，kg/m3；V0為變化前的體積，m3。

②動量守恒方程

式中，σij,j是柯西應力張量，N/m2；t是單位質量的體積力，N/（kg·m2）是質點加速度，m/s2。

③能量守恒方程

式中，E為變化后的能量，kj；εij為應變率張量，m；Sij為偏應力張量，N/m2；q為體積粘性阻力，N。

1.2 動力學方程

根據虛功原理，可得到

在式（4）中，δxi在?b2上滿足所有邊界條件，并應用散度定理可得：

其分部積分：

于是，可得出碰撞系統的控制方程：

對式（7）進行離散化，得到離散方程為：

式中，M為總體質量矩陣；x¨為總體節點加速度矢量；P為總體載荷矢量：由節點載荷面力、體力等組成；F為單元應力場的等效節點力矢量（或稱為應力散度）組成。

2 模型及模擬方案

2.1 幾何模型

雙殼船體結構損傷是一個多尺度、非線性、復雜、動態多階段發展過程，在數值計算時，需要考慮的因素也很多；其中計算機處理能力與模型模擬適應性需要重點考慮，否則會導致一系列問題，甚至無法進行正常的數值計算。雙殼油船碰撞損傷發展主要涉及到船體結構的失效形式、表征特征、發展規律及其影響因素，因此在建模過程中需要充分考慮到這些因素。基于該思路對原型船（即7 000 DWT油船）的幾何結構進行簡化處理，建立了如圖1所示的幾何模型，圖中A代表撞擊船，B代表被撞船；其具體簡化處理手段包括：1）對于被撞船，采用一個油艙長度的船體結構來代替整船，不考慮被撞船重量，同時被撞船雙殼船體結構主要體現大構件結構，而忽略小構件；2）對于撞擊船，視為剛體，用原型船的首部結構替代整船，其外形與原型船首部形狀一致，并通過密度調整法將整船的重量集中均勻分布在簡化后的撞擊船；3）碰撞過程中，忽略水對船的作用；4）假設碰撞時間遠小于船舶的運動周期，碰撞后兩船舶一起運動。

以7 000 DWT油船船體結構為基礎，進行簡化后撞擊船與被撞船的幾何尺寸如表1所示。

圖1 船舶碰撞模型幾何示意圖Fig.1 Geometry aketch of the ship collision model

表1 船舶模型的幾何尺寸Tab.1 Geometry size of the ship model

2.2 物性參數

根據雙殼船體結構材料特點和LS-DYNA設置要求，將圖1中的撞擊船A采用了RIGID模型，而被撞船B物性參數設置采用了PLASTIC KINEMATIC模型，由于現實中制造船舶主要使用的是45號鋼，因此將材料的密度設為7 800 kg/m3、彈性模量設為210 GPa、泊松比設為0.3，其中被撞船的失效應變設置為0.15。

2.3 碰撞方案

為了全面、系統研究被撞船速度對船舶碰撞損傷發展的影響，采用了如圖1所示的幾何模型，設計如表2所示的三個系列船舶碰撞模擬方案：將撞擊船的速度分別定為13節～15節共計三組，每組中又包含16個方案即被撞船速度從0節～15節。

表2 模擬方案表Tab.2 Models table

3 數值分析與討論

通過上述碰撞方案設置的參數進行一系列的計算后，發現所得到的結果在內外殼破損時刻點和內外殼破損時刻點的碰撞能量上存在著明顯的規律性變化，并且船舶碰撞損傷的形態也隨著被撞船速度的變化而改變。因此在本節中具體分析與探討這三個方面的規律。

3.1 內外殼破損時刻點

通過數值計算，所得內外殼破損時刻點的比較結果如圖2所示。由圖2分析可得：（1）在撞擊船較大速度撞擊的情況下，外殼破損時刻點隨兩船初速速度變化而改變的程度很小，基本趨于穩定。其主要原因是在撞擊船速度較大的情況下，所具有的初動能很大，而外殼破損所需要的能量遠小于初動能，因此在兩船接觸不久之后，外殼就會破損，不隨被撞船速度的變化而變化。（2）隨著被撞船速度的增加，內殼破損的時刻點逐漸變小，并且內殼破損的時刻點也隨著撞擊船速度的增加而減小。其主要原因是外殼破損到內殼破損之間需要吸收大量能量，該能量占據了初能量的較大部分；因此，當速度較小時消耗在被撞船結構損傷的能量所占比重就大，從而導致撞擊船破壞內殼時的能量就小了，從而延長了內殼破損時間。

圖2 內外殼破損時刻曲線Fig.2 Damaged time curve of the double hull

3.2 內外殼破損時刻點的能量分布特性

船舶碰撞過程中，被撞船和撞擊船之間的運動狀況和變形狀況都與船舶自身的動能和內能有關，因此分析船舶碰撞碰撞過程中動能與能內的變化情況是具有研究意義的。在本文中提取被撞船內外殼破損時刻點這一特征點為研究對象，分析被撞船在各個被撞船速度下被撞船的動能和內能的變化情況，如圖3和圖4所示。從圖中可見：Ⅰ碰撞過程中，被撞船的動能和內能都有所增加，但是內能起主導作用，占了被撞船總吸收能量80%左右；主要原因是船舶碰撞過程中以船體結構破損及失效吸收撞擊船能量為主要形式。Ⅱ在不同撞擊船速度的情況下，內外殼破損時被撞船所吸收的能量在同一個數量級。Ⅲ隨著被撞船速度增加，內殼破損時刻點被撞船所吸收內能呈明顯下降趨勢，說明在被撞船速度增加情況下被撞船吸能效果越差，其主要原因是受船舶剪切力的影響。

圖3 內能-速度曲線（被撞船）Fig.3 Internal energy-velocity curve of Struck ship

圖4 動能-速度曲線（被撞船）Fig.4 Kinetic energy-velocity curve of Struck ship

4 結語

被撞船速度對船舶碰撞存在著明顯的影響，其具體影響規律如下。

(1)船舶碰撞過程中隨著被撞船速度的改變，被撞船內殼破損的時間和被撞船內外殼破損時吸收的內能與動能均發生顯著的變化，因此在進行船舶碰撞分析過程中不能忽略被撞船速度的影響。

(2)隨著被撞船速度的增加，由于發生撕裂式剪切破損將導致被撞船吸收的內能明顯減少，舷側結構吸能效果降低。

[1]江 璐,潘滬湘,袁海霞.我國海洋船舶污染現狀及防治措施[J].化工管理,2013(1):46-47.

[2]姜興家,張 鵬,吳文鋒.撞擊位置和初速度對被撞船舶舷側結構的影響[J].中國航海,2012,35(2):76-80.

[3]劉 超,李范春.有限元仿真在船舶碰撞研究中的運用[J].大連海事大學學報,2013,39(1):15-18.

[4]ZHANG A,SUZUKI K.A comparative study of numerical simulations for fluid-structure interaction of liquid-filled tank during ship collision[J].Ocean Engineering,2007,34:645-652.

[5]HARIS S,AMDAHL J.Analysis of ship-ship collision damage accounting for bow and side deformation interaction[J].Marine Structures,2013,32:18-48.

[6]SUN B,HU Z Q,WANG G.An analytical method for predicting the ship side structure response in raked bow collisions[J].Marine Structures,2015,41:288-311.

[7]GAO Z Q,HU Z Q,WANG G,et al.An analytical method of predicting the response of FPSO side structures to head-on collision[J].Ocean Engineering,2014,87:121-135.

[8]TABRI K.Influence of coupling in the prediction of ship collision damage[J].Ships and Offshore Structures,2012,7:47-54.

[9]EHLERS S,TABRI K.A combined numerical and semi-analytical collision damage assessment procedure[J].Marine Structures, 2012,28:101-119.

Analysis on Influence of the Struck Ship's Velocity on Damage Development of Oil Tankers'Collision

ZHANG Huai-yue,WEN Xiao-fei,CHI Hong-fu
(School of Shipping,Port&Civil Engineering,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

In this paper,different conditions of the impacting ship speed and the struck ship's speed is in the range of 0～15 kn have been simulated using the nonlinear finite element method,which shows the damage development regularity and characteristics of ship collision of the double hull struck ship.And analyzing the influences of the speed of struck ship on the damage development morphology of the double hull structure,exploring the intrinsic connection between the speed of struck ship and the time of double hull broken,the energy absorption of struck ship and etc.

ship collision;oil tanker;velocity of struck ship;collision damage;damage development

U663.4

:A

1008－830X(2015)06－0554－05

2015-08-10

張懷躍（1993-），男，研究方向：船舶安全與防污染.E-mail:923055347@qq.com