液貨晃蕩對雙殼油船碰撞性能的影響研究

吳文鋒，楊雨濱，盧金樹，鄧佳佳，朱發新

(浙江海洋大學 海運與港航建筑工程學院，浙江 舟山 316022)

液貨晃蕩對雙殼油船碰撞性能的影響研究

吳文鋒，楊雨濱，盧金樹，鄧佳佳，朱發新

(浙江海洋大學 海運與港航建筑工程學院，浙江 舟山 316022)

利用ANSYS/LS-DYNA分析載貨情形下的雙殼油船發生碰撞導致艙內液貨發生晃蕩時，晃蕩載荷對舷側結構碰撞性能的影響，并將所得結果與空載狀態下的碰撞事故進行比對，發現液體晃蕩對碰撞性能的影響主要體現在當撞擊船接觸到被撞擊船內殼時，艙內液體動能較大，對碰撞性能產生顯著影響，艙內液貨能有效吸收撞擊船的撞擊能量，使得撞擊速度快速下降，同時由于艙內液貨與艙壁之間的耦合作用，使得碰撞力增大，導致內殼受損更為嚴重，造成內殼提前破裂。

船舶碰撞；流固耦合；液貨晃蕩；數值模擬

油船碰撞持續時間較短，且涵蓋多種非線性問題，無疑增大了探索相關科學問題的難度。油船碰撞其本質上是一個流固耦合的問題[1]，對于載有液體的雙殼油船而言，這種流固耦合同時存在于船體外部及船體內部區域。

對于載貨油船而言，其具備碰撞持續時間短、產生的撞擊能量大、艙內液貨會在短時間內發生液貨晃蕩等特點。據Kristjan T的船模試驗表明[2]，液艙載貨發生船舶碰撞時，液體晃蕩產生的晃蕩沖擊能量會對船舶碰撞性能造成顯著影響，在撞擊能量作用下，被撞擊船船身的晃動會導致艙內液體的晃蕩，甚至會產生巨大的瞬間晃蕩沖擊能量，該能量對被撞擊船造成的損傷主要在于對液貨艙艙壁的沖擊作用及晃蕩壓力對艙壁造成的局部損傷。因此，研究液貨晃蕩對雙殼油船碰撞性能的影響對于增強船舶安全和保護環境具有十分重要的意義。

以往對油船碰撞的仿真研究中，幾乎未考慮到液艙中液體與艙壁結構的相互耦合作用，即忽視了液貨的影響[3-8]。隨著對船舶碰撞問題的深入研究，有學者已開始研究裝載液貨的雙殼油船碰撞損傷機理。娜日薩等[9-10]運用數值分析方法分析了VLCC液艙滿載情形下液貨發生晃蕩的全過程，并對晃蕩作用下的船體結構強度進行評估。張愛年等[11]運用ANSYS/LS-DYNA數值軟件，采用3種不同的數值仿真方法對碰撞過程中滿載狀態下油艙內流固耦合作用進行研究，根據研究結果可知，在實際工程運用中，可采用拉格朗日—歐拉算法，不僅能夠滿足實際工程的精度需求還能大大縮減數值計算所需時間。張延昌等運用MSC.Dytran有限元軟件分析了VLCC在滿載、壓載工況下的碰撞損傷特性，但缺乏艙內液體晃蕩的直觀展示及艙內液貨未滿載時的晃蕩特性。Kristjan Tabri等開展一系列船舶碰撞的模型試驗，在試驗過程中未能考慮到碰撞船舶裝載液貨的情形。張日紅運用ANSYS/LS-DYNA針對滿載狀態下的油船發生碰撞事故時，分析液體與舷側結構之間的耦合作用，對碰撞性能開展相關研究。崔杰等分析80%裝載率狀態下艙內液體對雙層舷側碰撞性能的影響。

本文結合以往的工作經驗，以雙殼油船為研究對象，應用ANSYS/LS-DYNA非線性有限元軟件，利用仿真技術建立船舶碰撞數值模型，為凸顯液貨的晃蕩效果，分別對空載和載貨率為30%的2種情景開展數值計算，通過對碰撞力、結構損傷變形等比較分析，得出液貨晃蕩對雙殼油船碰撞性能的一般影響規律。

1 流固耦合算法

本文運用任意拉格朗日—歐拉算法(ALE, Arbitrary Lagrange Euler)處理雙殼油船艙內液貨與艙壁之間的流固耦合問題。該算法匯集了仿真軟件中拉格朗日算法和歐拉算法的優點，能有效處理有限空間內的大位移和自身大變形問題。

ALE算法在復雜的載荷條件下，能夠很好的處理流體與結構之間的相互作用。ALE網格在計算時，首先得到固體網格的變形特征，并將相關計算結果導入空間節點中，隨后根據固體網格的變形特征重新劃分固體網格，并通過空間網格節點將變形后的邊界條件分配到新劃分的固體網格中。結構參數和流體單元之間的傳遞可用關鍵字*CONSTRAIN-ED_LAGRANGE_IN_SOLID處理。

2 碰撞方案

根據對歷年油船碰撞事故的統計，相撞船舶原型尺寸選取5萬t雙殼油船和5萬t散貨船。相撞船舶的主要尺寸如表1所示。

本文設計的碰撞方案為，散貨船以5 m/s的速度，垂直對中撞擊靜止的油船，撞擊位置選取在舷側最為薄弱的縱骨之間，碰撞方案如圖1所示。

表1 相撞船舶的主要尺寸 m

圖1 碰撞方案

3 模型建立

為縮減計算時間，在建立數值模型時，對相撞船舶做了相應簡化處理。撞擊船船首材料選取彈塑性材料，鋼板厚度與實際船首厚度一致，內部構件根據實際船首結構進行簡化。將撞擊船除船首外的所有結構簡化成為一個貨艙，可通過改變該貨艙的尺寸及質量來確保撞擊船的質量和重心位置與實際一致?？紤]到碰撞的局部性，同時結合船舶重心及質量等因素，將雙殼油船簡化為一個液貨艙，該液貨艙的舷側鋼板厚度、內外殼間距等均與實際船舶一致，艙段結構采用塑性動態模型模擬，如圖2所示。圖3為艙內液貨模型。

計算過程中，設定失效應變為0.1，材料模型采用軟件提供的Cowper-Symonds本構方程，并考慮材料應變硬化影響。接觸算法采用主從面接觸和自動單面接觸。對可能發生碰撞的區域進行網格細化，其余部分采用較粗網格。

在LS-DYNA中，油船艙內液貨壓力與體積的關系可通過關鍵字*EOS-GURNEISEN來描述，該狀態方程定義壓縮材料的壓力見式(1)。

+(γ0+aμ)E,

(1)

式中：p為壓力；ρ0為流體初始密度；C為撞擊速度—質點速度曲線截距；μ為比體積，其值為ρ/(ρ0-1)；ρ為流體過程中的密度，ρ的值是隨計算過程變化而變化的；γ0為格林愛森常數；a為γ0的一階體積修正系數；S1、S2、S3為撞擊速度—質點速度曲線的斜率系數；E為單位體積內能。各參數值見表2。

表2 液貨材料參數

圖2 相撞船舶數值模型

圖3 艙內液貨模型

4 結果分析

4.1 艙內液貨響應

圖4為液貨平均動能隨撞擊船位移變化關系曲線。圖5為撞擊過程中液貨狀態的變化。

圖4 液貨平均動能-位移曲線

圖5 液貨狀態變化圖

觀察圖4曲線，可將液貨動能變化大致分為3個階段。第一階段，被撞船位移在約0.8 m之前，液貨動能幾乎為零。在該階段撞擊船船首已撞擊被撞擊船的外殼，但由于液貨存在黏性，因此存在一個滯后效應。此外，被撞擊船的漂移速度較慢，因此液貨相對被撞擊船而言處于靜止狀態，如圖5(a)所示。第二階段，撞擊船位移約在0.8～ 3.1 m之間，在該階段液貨明顯有動能，但該階段液貨流動較為緩慢，動能較小，如圖5(b)所示。在該階段被撞擊船外殼已發生破裂，船首開始通過雙層殼之間的構件向內殼進發，此時在力的傳遞作用下，被撞擊船漂移速度開始逐漸增大，艙內液貨在黏性力、慣性力以及碰撞力作用下開始緩慢的流動。第三階段在3.1～6.4 m之間，曲線開始急劇上升，液貨動能迅速增大，如圖5(c)所示。在該階段撞擊船船首已觸及內殼，內殼發生變形。這表明當撞擊船觸及到內殼時，艙內液貨會發生劇烈運動。此時導致液貨發生劇烈運動的原因是流固耦合力。

根據圖5可以看出，在撞擊船位移為1 m時，液貨狀態基本沒有變化，說明撞擊船沒有接觸到被撞船的內殼板。當撞擊船位移為2 m時，液貨狀態發生微小變化，說明撞擊船剛觸及到內殼板，內殼板還沒有發生變形，液貨運動不劇烈。而撞擊船位移為5 m時，液貨狀態發生顯著變化，這時內殼板出現明顯變形，液貨劇烈運動。

4.2 碰撞力分析

圖6為船舶空載和載貨情況下碰撞力隨位移變化關系曲線。該過程可分為3個階段：第一階段在2條曲線第一個交點之前，顯然載貨狀態的碰撞力要高于空載狀態的碰撞力，這是由于考慮載貨時，被撞擊船的總質量比空載要大。第二階段為2條曲線2個交點之間，此時載貨狀態的碰撞力要低于空載狀態的碰撞力。由于經歷完第一階段后，載貨狀態的被撞擊船外殼已然發生破裂，而空載狀態的則要至位移約為3 m處才開始破裂，這是由于2類情形下被撞擊船質量不一致，導致被撞擊船漂移速度不一致。第三階段，載貨狀態的碰撞力逐漸高于空載狀態的碰撞力，此時的碰撞力除固體之間接觸產生之外，還有很大部分是由于流固耦合力的作用。此時撞擊船船首已接觸到被撞擊船內殼，艙內液貨隨著內殼的變形開始劇烈運動，液貨與內殼結構之間呈現出非常強烈的的耦合作用。艙內液貨受到內殼的擠壓變形作用，使得撞擊船運動明顯減緩，這種減緩作用表現為碰撞力的提高。

圖6 碰撞力-位移曲線

4.3 撞擊船速度變化分析

圖7為撞擊船速度隨位移變化關系曲線。由圖7可知，在船舶碰撞初期，二者曲線較為吻合，在撞擊船前進位移到達3.1 m時，2條曲線開始出現明顯差異，具體體現撞擊船在撞擊載貨狀態的油船時速度下降更快。這說明，撞擊船在未觸及內殼時，艙內液貨幾乎不會對撞擊船的運動造成影響；當撞擊船接觸到內殼后，艙內液貨明顯對撞擊船的運動產生阻礙作用，使得相同位移下撞擊船速度減小的更加迅速。

4.4 吸能分析

圖8為2種碰撞情形下被撞擊船吸能隨位移變化曲線。由圖8知，被撞擊船內艙與撞擊船位移成正比。該曲線劃分為3個階段。第一階段在位移為0.8 m之前，此時，被撞擊船能量變化主要是依靠外殼及其舷側肋板結構變形，由于該階段外殼尚未破裂，且損傷模式基本一致，因此2條吸能曲線基本吻合，艙內液貨對舷側外板吸能幾乎不產生影響。第二階段在位移為0.8～3.1 m之間，該階段吸能增加主要是依靠外殼持續變形而發生破裂，以及雙層殼之間結構損傷變形。通過圖5(b)可知，此時液貨已開始緩慢流動，為此載貨狀態船舶吸能稍高于空載狀態船舶的吸能。第三階段在位移為3.1 m之后。此時撞擊船已觸及內殼，致使內殼開始發生變形。該階段，空載狀態船舶能量變化主要依靠內殼變形；而載貨狀態船舶能量變化除內殼變形外，還有內殼與液貨的耦合作用，使得液貨動能大幅度增加，從而導致載貨狀態船舶能量吸收迅速上升且大幅度超過空載狀態船舶能量吸收。

圖8 被撞擊船內能-位移曲線

4.5 損傷變形分析

在碰撞過程中，被撞船舷側結構可通過自身變形來吸收撞擊能量，能量吸收性能取決于舷側結構的損傷變形程度，而舷側結構吸能性能的好壞直接關乎其抗撞擊能力。

圖9反映了2種碰撞情形下被撞擊船外殼損傷變形，由圖可見，外殼損傷變形幾乎相同。外殼損傷均以膜拉伸為主，且變形區域及程度幾乎一致。

圖10反映了2種碰撞情形下被撞擊船內殼損傷變形情況，由圖10知，碰撞結束后，內殼發生了以膜拉伸為主的變形，且尚未破裂，但顯然載貨狀態下的內殼變形程度和范圍均比空載狀態下的內殼變形程度和范圍要大，且載貨狀態下內殼破裂時間將提前。造成該現象的原因在于，內殼除受到撞擊船撞擊的作用外，還受到液貨晃蕩產生的動壓力，內殼變形是液貨壓力與接觸力共同作用的結果。

(a) 空載 (b) 載貨圖9 外殼損傷變形圖

(a) 空載 (b) 載貨圖10 內殼損傷變形圖

5 結束語

本文以雙殼油船為研究對象，利用ANSYS/LS-DYNA對比分析載貨狀態和空載狀態下雙殼油船舷側結構碰撞性能，得出如下結論。

1)艙內液貨在碰撞前期對碰撞性能影響不大，對舷側結構損傷變形幾乎不會產生影響。

2)艙內液貨晃蕩主要在碰撞后期對雙殼油船碰撞性能產生較為明顯的影響。在內殼發生變形時，艙內液貨會發生劇烈運動，將會產生較大的動壓力，對結構碰撞性能產生顯著影響，艙內液貨的存在極大降低了撞擊船運動速度，同時由于流固耦合力，使得碰撞力大幅增加，使得內殼變形嚴重，最終導致內殼破裂時間提前。故研究雙殼油船碰撞時，不能忽略艙內液貨晃蕩的影響。

[1] Z liu，J Amdahl. A new formulation of the impact mechanics of ship collisions and its application to a ship-iceberg collision [J]. Marine Structures, 2010, 23(3):360-384.

[2]K Jabri,J matu siak.P Varsta. Sloshing interaction in ship collisions-An experimental and Numerical study [J].Ocean Engineering,2009(36)：1366-1376.

[3] Saydam D, Frangopol D M. Performance assessment of damaged ship hulls [J]. Ocean Engineering, 2009,36(17-18):1366-1376.

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

[5] 肖曙明,劉敬喜,王娜,等.雙殼船內外殼結構耐撞性試驗與仿真研究[J].應用力學學報,2013,30(2)：257-261.

[6] S Haris, J Amdahl. Analysis of ship-ship collision damage accounting for bow and side deformation interaction [J]. Marine Structures, 2013, 32(7): 18-48.

[7] P Hogstr?m,J W Ringsberg. An extensive study of a ship's survivability after collision-A parameter study of material characteristics, non-linear FEA and damage stability analyses [J]. Marine Structures, 2012, 27(1):1-28.

[8] P T Pedersen ,Y Li. On the global ship hull bending energy in ship collisions [J]. Marine Structures, 2009, 22(1):2-11.

[9] Na Risa, HL Ren，ZL Gao, et al. Simulation of sloshing and structure response in VLCC tanks [J]. Journal of Ship Mechanics, 2007, 11(6):879-887.

[10] 娜日薩.VLCC液艙晃蕩仿真及結構強度評估方法研究[D].哈爾濱,哈爾濱工程大學,2006.

[11] A zhang,K Suzuki. A comparative study of numerical simulations for fluid-structure interaction of liquid-filled tank during ship collision [J].Ocean Engineering，2007,34(5-6)：645-652.

The ANSYS/LS-DYNA was used to study the effect of sloshing load on ship-ship collision which resulted in liquid cargo sloshing.Compared with the light condition,the influence of liquid sloshing on the impact performance is found mainly reflected in the impact when the sticking ship had been attached to the struck ship's inner shell with large kinetic energy of liquid.A significant impact on the performance of the collision shows that the liquid cargo could effectively absorb the impact energy of the striking ship,which made the collide velocity decreased rapidly.At the same time,due to the coupling of liquid cargo compartment and the bulkhead between the collision force,the increased collision damaged the inner shell seriously,resulting the shell ruptured in advance.

ship-ship collision;fluid-structure coupling;liquid sloshig;numerical simulation

浙江省自然科學基金青年基金(LQ16E090003，LQ14E090001)；舟山市科技局項目(2015C41009)

吳文鋒(1984-)，男，江西上饒人，講師，博士，主要從事船舶安全與防污染研究。

U661.42

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.003

2016-07-25