雙殼油船碰撞損傷快速預判

溫小飛， 朱 漸， 張懷躍， 袁 強

(1.浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院， 浙江 舟山 316022;2.維多利亞大學 工程學院,加拿大 維多利亞 V8P 3E6)

由于海上受損雙殼油船的結構安全性對船上人員和貨物的安全等有重要影響[1-2]，因此應將雙殼油船碰撞損傷研究的重點置于快速預判和評估雙殼油船發生碰撞事故之后的損傷程度上，從而提供緊急搶修維護，減少經濟損失。當前國內外已有眾多學者對該領域進行研究。GAO等[3]和TABRI[4]進行初期船舶碰撞的損傷形態及內在機理的探索；陳爐云等[5]提出撞深反映被撞艇的損傷程度；王雷等[6]研究計算碰撞狀態下破損船體的剩余強度；姜興家等[7]研究船舶碰撞位置和撞擊船速度對船舶碰撞損傷發展的影響；劉昆等[8]研究船舶碰撞過程中被撞舷側結構形狀對被撞船耐撞性能的影響；潘盧毅等[1]研究船舶碰撞損傷剩余強度的快速分析方法，但沒有研究雙殼油船碰撞損傷快速預判方法。

本文基于LS-DYNA，采用等效塑性失效準則，對雙殼油船舷側結構響應情況進行仿真模擬，并對在不同碰撞速度下的內外殼破損時刻及損傷程度變化情況進行整理分析，提出一種基于數值仿真的雙殼油船碰撞損傷快速預判方法。

1 有限元模型

以載重量7 000 t雙殼油船為仿真對象，被撞船的主要碰撞范圍為2節艙段，撞擊船的主要碰撞范圍為球鼻艏部分，撞擊方式為垂直正撞，對撞擊船和被撞船的垂直方向進行約束，模擬在海面上航行，摩擦因數設置為0.15，其船型參數為：總長86.2 m，型深10.4 m，型寬13.3 m。船-船碰撞模型見圖1。

為保證較高的精確度和較快的計算速度，采用附加水質量法和等效船體梁法[9]，對撞擊船球鼻艏及被撞船舷側結構作以下假設和簡化：

1) 假設兩船都處于滿載狀態且吃水深度一致。

2) 撞擊船模型的材料屬性為剛性不發生形變。

3) 被撞船模型的材料屬性為各向同性塑性斷裂模型，并以Cowper-Symonds等效塑性失效準則為被撞船失效準則，最大塑性變形為0.15；同時，忽略加強筋等小構件的影響，以減小仿真計算量。

4) 參考文獻[10]，設置撞擊船縱向運動附連水質量力為撞擊船總重的2%，被撞擊船橫漂運動附連水質量力為被撞擊船總重的40%。

除上述假設外，在簡化過程中將整船的質量及附連水質量通過改變剛性梁密度附加到模型上。

2 船舶碰撞方法的驗證

由海難聯邦調查局所做的事故記錄[11]可得船-船碰撞示意見圖2，碰撞事故損傷情況見圖3，最終碰撞損傷示意見圖4，在碰撞后被撞船發生劇烈的變形破損，調查報告中指出被撞船的最大撞深為7.5 m。

通過LS-Prepost得到最終撞深為6.85 m，與實際碰撞深度7.5 m相差0.65 m，劉超等[12]利用簡化的試驗臺架對船舶單雙殼的典型結構進行耐撞特性

試驗，并通過與有限元仿真數據相對比，得到最大誤差為9%，在10%誤差范圍內，故本文采用的船舶碰撞數學模型具有較高的精度。

3 仿真方案設計

本文探究一種基于圖譜的雙殼油船碰撞損傷預判方法。為繪制損傷圖譜，設計一系列雙殼油船碰撞仿真算例。以撞擊船初始速度為變量設置0.5～4.0 m/s共8個系列模擬，且在每個系列中以撞擊船速度為變量計算0.5～4.0 m/s 共8個算例，總計64個算例設置見表1。

表1 碰撞模擬方案設置

4 雙殼船體結構的失效特征

根據雙殼船體結構的失效特征，將雙殼船體結構損傷發展過程通過2個關鍵時刻點劃分為3個階段。2個關鍵時刻點分別為外殼破孔時刻點K1和內殼破孔時刻點K2;3個階段分別為初應力積累階段Ⅰ，單孔發展階段Ⅱ和雙孔發展階段Ⅲ(見圖5)。

根據K1和K2時刻點，截取雙殼油船碰撞過程中外殼破損前后的應變與應力云圖分別見圖6a)和圖6b), 內殼破損前后的應變與應力云圖分別見圖6c)和圖6d)。從圖6中可看出已發生破孔，取該狀態為碰撞損傷圖譜的臨界狀態。

a)K1時刻前b)K1時刻后

c)K2時刻前d)K2時刻后

圖6 被撞船損傷變形

5 雙殼油船碰撞損傷圖譜及分析

在繪制圖譜過程中，由表1中的算例得出雙殼油船內外殼破損情況見表2。從表2中可看出，虛線所在位置為內外殼破損臨界線所在范圍。

表2 雙殼油船內外殼破損情況

圖7為精確求解流程。為得到更精確的解，首先保持被撞船初始速度不變，通過表2得到臨界線中撞擊船初始速度所在范圍的上限和下限。以上限和下限的差值為判據，當差值<0.01時，取下限的撞擊船初始速度為內外殼破損臨界速度；反之，取撞擊船初始速度為所在范圍的中點值，若內外殼破損，則用該值替換臨界速度上限進行迭代計算，反之替換臨界速度下限進行迭代計算。最后，得出雙殼油船碰撞內外殼破損的臨界速度。

根據求解得到的雙殼油船碰撞內外殼破損的臨界速度，建立擬合曲線見圖8。由數據的分布特點可知，均有趨近于某一直線的趨勢。選擇2種基本函數對離散數據進行擬合，分別采用反函數擬合和正切函數擬合。反函數形式為Vb=a/(Vb+b)+c，正切函數形式為Vb=atan(bVa+c)，其中：Vb為被撞船速度;Va為撞擊船速度；a,b,c為碰撞系數。

統計學上將數據點與其在回歸直線上相應位置的差異稱為殘差，將每個殘差取平方之后相加稱為殘差平方和，表示隨機誤差的效應。通過比較兩者的殘差平方和，可看出Vb=atan(bVa+c)的殘差平方和更小，因此將Va=2.271tan(-1.233Va+1.643)和Va=-1.404tan(1.638Va+1.147)取為7 000 t載重量油船外殼、內殼破損臨界線的基本表達式。

通過對內外殼破損臨界速度曲線進行分析，并在2條曲線之間建立均分曲線，將2條曲線之間的部分劃分為10個部分,最終得到雙殼油船碰撞損傷圖譜見圖9。定義常數C為損傷的程度，規定當外殼剛破時C=0，當內殼恰好破損時C=1。同時，在仿真過程中取等速線上各點的撞深x為碰撞程度的特征參數。建立撞深與碰撞程度的關系式為

C=1.02x-0.347

(1)

式(1)中:x為撞深，m；C為碰撞程度。

6 船舶碰撞圖譜的驗證

進一步驗證圖譜，以初始速度為1.7 m/s的撞擊船與初始速度為10 m/s的被撞船碰撞為例，進行比較驗證。通過圖譜進行快速查詢，得到碰撞損傷程度為0.7，即圖9中的點B。采用有限元建模并計算之后，得到其計算撞深為0.91 m，運用式(1)得到C=0.66。通過比較，2種方法的相對誤差為5.71%，因此均可在較小誤差范圍內預測碰撞損傷程度。

7 結束語

1) 提出一種能快速預判雙殼油船碰撞損傷的方法，即利用雙殼油船碰撞損傷快速預判圖譜，在雙殼油船即將發生碰撞時，快速得到其碰撞損傷情況，從而及時進行修理和安全評估。

2) 定義常數C為碰撞損傷程度，可由撞深的表達式表示。在量化雙殼油船碰撞損傷程度上進行了初步探索。

3) 在雙殼油船碰撞過程中，撞擊船初始速度對損傷程度的影響大于被撞船初始速度對損傷程度的影響。

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