內河小型LNG船碰撞結構損傷數值研究

竇 旭，吳宛青，宋 明

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

內河小型LNG船碰撞結構損傷數值研究

竇 旭，吳宛青，宋 明

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

對小型液化天燃氣(Liquefied Natural Gas,LNG)船在內河航行過程中發生碰撞造成的結構損傷進行數值研究。以內河小型LNG船為目標船，以典型的散貨船為撞擊船，在Solidworks軟件中完成幾何建模，在有限元軟件ANSYS中進行船舶碰撞數值計算。采用均勻設計法確定計算方案，通過回歸分析處理所得數據，得到被撞船的內殼、外殼破裂臨界撞擊速度經驗公式。利用該研究成果，可針對內河不同尺度的LNG船遇到不同噸級散貨船時的情況，進行相應的航速安全管理，以便在不采用移動安全區的情況下有效控制LNG船在內河營運過程中的整體風險。

船舶碰撞；結構損傷；數值模擬；回歸分析

近年來，隨著天然氣的需求日益增長，液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)內河運輸需求日益迫切。由于內河一般具有航道交叉和交通流量大等特點，而LNG又具有特殊的危險性，因此LNG船在內河營運過程中有著較高的風險。[1]

當前，制約LNG船內河運輸的一個關鍵因素是LNG船營運過程中的移動安全區問題。例如，在內河考慮移動安全區問題，雖能有效避免碰撞事故發生，但監管和營運成本過高。進行船舶安全航速管理是解決該矛盾、推進LNG船內河運輸的一項有效措施。這里通過量化研究在內河營運的LNG船與其他船舶的碰撞事故，提出安全航速，為LNG船內河營運的有效管理提供理論依據。

當前國內外在船舶碰撞方面已有大量研究：文獻[2]～文獻[5]對船舶碰撞問題開展較為深入的研究；文獻[6]和文獻[7]在內河小型LNG船碰撞領域進行相關研究。

目前，常用的船舶碰撞和擱淺事故研究方法主要有試驗法、經驗公式法、簡化的解析法和有限元法。[8]這里采用有限元法，利用Solidworks三維建模軟件結合ANSYS有限元分析軟件，以內河小型LNG船為被撞船，以在內河營運的最為廣泛的散貨船為撞擊船，進行LNG船碰撞結構損傷的數值研究。

1 理論基礎

1.1變形基本理論

利用ANSYS軟件對船舶碰撞問題進行研究，該有限元軟件對船舶結構變形的分析主要基于以下變形基本理論。[9]

1.1.1物體運動描述

設質點在t=0時刻占據的空間為初始構形，經過時間t到達的位置為現時構形，其在初始構形中的質點矢徑的表達式為

X=Xiei,i=1,2,3

(1)

式(1)中:ei為坐標系中的基矢量；Xi為質點矢徑X在參考構形中的分量。

1.1.2應力與應變

在求解變形問題時，會應用到Kirchhoff應力和Green應變。

(1) Kirchhoff應力的定義為

(2)

(2) Green應變的定義為

(3)

式(3)中：δij為Kronecher符號；μi=xi(Xj,t)-Xj為初始構形中的位移矢量。

1.1.3守恒方程

1.1.3.1 質量守恒方程

采用Lagrange法描述的質量守恒表達式為

ρ0(X,t)J(X,t)=ρ(X)

(4)

式(4)中:ρ0為初始構形的質量密度，kg/m3；J為體積變化率；ρ為當前構形的質量密度，kg/m3。

1.1.3.2 動量守恒方程

作用在運動系統上的外力總和等于其動量的物質導數，即

(5)

式(5)中:bi為作用在物體單位質量上的力，N/kg；ti為面上的作用力，N/m2。

1.1.3.3 能量守恒方程

系統總能的變化率等于外力的功率，即

(6)

式(6)中：wint為單位質量的內能，J/kg。

1.2材料模型及失效準則

1.2.1彈塑性模型

當彈塑性模型材料所受應力小于屈服應力時，應力與應變呈線性關系；當所受應力大于屈服應力時，材料進入塑性階段。其本構方程為

(7)

1.2.2材料失效準則

利用極限等效性應變準則對船舶結構進行失效判斷，表現為結構單元的刪除。在計算過程中，參考已有的研究經驗[11]將失效應變取為0.15。

2 數值建模

2.1建模方法

采用附加水質量法建立船舶碰撞數值模型，將流體對船舶運動及變形造成的影響以附加質量的形式作用到船體上。

1) 對于船舶橫向運動時對應的附加水質量，MINORSKY假定其表達式為

myy=0.4m

(8)

式(8)中：myy為船體橫向運動附加水質量，kg；m為船體質量，kg。

此后，相關人員[12]對式(8)進行修正，得到

myy=(0.4～1.3)m

(9)

2) 對于船舶縱向運動時對應的附加水質量，文獻[12]研究得出其表達式為

mxx=(0.02～0.07)m

(10)

式(10)中：mxx為船體縱向運動附加水質量，kg；m為船體質量，kg。

2.2幾何模型

2.2.1參數定義

2.2.1.1 單元類型

船體單元采用Thin Shell 181，用于分析非線性形變，適合對具有一定厚度的殼體進行結構分析。

2.2.1.2 材料模型

選擇塑性動態材料模型作為船體結構的材料模型，即Plastic Kinematic Model。具體參數設置見表1。

2.2.2模型簡化

對結構損傷的數值研究主要涉及結構分析，其基本物理量包括質量、長度和時間。表2為ANSYS/LS-DYNA中常用的單位制。

在幾何建模過程中，需對船舶幾何模型進行適當的簡化處理：

表1 塑性動態材料模型的參數設置

表2 ANSYS/LS-DYNA中常用的單位制

(1) 將船體簡化為雙層底和舷側結構的形式，保證質量和質心分布與實船相似；

(2) 采用附加水質量法，將流體的影響以附加質量的方式作用到船體上，省去流體的建模工作；

(3) 對船舶底部結構中的小尺寸構件(如小肋板等)作適當的等效處理。

此外，對于撞擊船，僅建立船首模型，但需在船首和船尾添加附加模塊(即附加質量)，使撞擊船的質量與考慮附加水質量后的總質量相同。

2.2.3規范要求

研究的被撞LNG船模型嚴格按照中國船級社(China Classification Society,CCS)頒布的《內河船舶抗碰撞能力評估指南》《液化天然氣燃料加注船舶規范(2015)》及《鋼質船舶建造規范(2014)》的要求建立。

(1) 規范中對LNG船的要求有：

① 《鋼質船舶建造規范(2014)》要求采用A級鋼，船殼厚在0～30 mm；《內河船舶抗碰撞能力評估指南》和《液化天然氣燃料加注船舶規范(2015)》均要求船舶舷側板厚度不小于《鋼質船舶建造規范(2014)》中規定厚度的1.15倍(此時，LNG液貨罐距外板距離取值最小為1 m)。

② 《鋼質船舶建造規范(2014)》要求內河鋼質船的船長>50 m時，肋骨或縱骨間距≤700 mm，且強力甲板及其以下主體部分的肋骨或縱骨間距與板厚之比≤120。

(2) 參考實船數據，結合規范，LNG船模型相關參數最終取值為：① 船殼外板厚度12 mm；LNG球罐外罐厚度30 mm；加強肋骨(縱骨)間距2.4 m，厚度12 mm。

對于撞擊船，所有散貨船船首建模數據均參考《鋼質船舶建造規范(2014)》中的內河散貨船船型參數。

2.2.4實體模型

利用Solidworks軟件進行建模，過程如下。

(1) 船艙幾何模型：依次建立橫剖面草圖、整體艙室模型、分艙模型，最終得到完整的艙室模型(見圖1)。

圖1 完整的艙室模型

(2) 船首幾何模型：依次建立船首基準面、船首草圖及引導線，最終得到船首模型(見圖2)。

圖2 船首模型

(3) 船尾幾何模型：船尾模型見圖3，包含建模過程中建立的基準面、草圖及最終放樣模型。

圖3 船尾模型

2.3模型導入及前處理

2.3.1幾何模型的導入

幾何建模在三維建模平臺Solidworks中完成，前處理在ANSYS Workbench中進行。2種軟件之間傳輸的格式為.SLDPRT。

2.3.2前處理

模型導入ANSYS Workbench后需進行前處理，主要包括以下3個方面：

(1) 幾何模型完善，主要包括檢查模型質量、附加厚度及賦予材料參數。

(2) 幾何模型接觸設置。對屬于同一個整體的曲面施加bonded接觸；在撞擊船和被撞船之間添加frictional接觸；動摩擦因數和靜摩擦因數都取0.3。

(3) 網格劃分。在ANSYS中采用Automatic模式(即自動化分)劃分網格。

2.4求解參數設置

在利用ANSYS計算之前，需對求解參數進行設置，主要包括撞擊船速度、被撞船約束、最大能量誤差(設為0)、時間步長(設為0.6)、系統單位(m/kg/s)和計算時間。

參數設置好之后，將Workbench輸出的.k文件輸入到ANSYS中即可計算(見圖4)。

a) 輸入.k文件

b) 計算進行中

c) 計算完成圖4 計算流程

3 數值分析

3.1碰撞方案

參考內河通航環境，撞擊船選1萬t，2萬t，3萬t，4萬t及5萬t散貨船；被撞LNG船按艙容選2 000 m3,4 000 m3,6 000 m3,8 000 m3和10 000 m3小型LNG船;船體結構采用雙層殼、雙層底，貨艙均為C型貨艙。

依據均勻設計試驗法[13]作試驗安排(見表3)，最終需進行5組試驗。

3.2碰撞結果

經過數值計算，得到.d3plot輸出文件，在LS-Prepost軟件中進行后處理，得到后處理結果(90°撞擊)匯總見表4。

表3 試驗方案

表4 后處理結果匯總

表4給出被撞船內、外殼裂口大小，裂口大小剛好>0時的速度為臨界速度(臨界速度對應的裂口大小為0～1 m2)。

3.3結果分析

根據以上計算結果可得到各情形下LNG船內殼、外殼破裂臨界速度匯總見表5和表6。

對以上數據進行回歸分析，以撞擊船和被撞船的載重量W1(萬t)及W2(萬m3)為自變量，以外殼、內殼破裂臨界速度vc1(kn)和vc2(kn)為因變量，可得到關系式

表5 外殼破裂臨界速度匯總

表6 內殼破裂臨界速度匯總表

vc1=6.04-0.133W1-1.067W2

(11)

vc2=10.6-0.8W1+3.5W2

(12)

以6 000 m3，8 000 m3和10 000 m3LNG船為目標船，可得出其內殼、外殼破裂臨界速度與撞擊船噸位的關系曲線(見圖5)。

圖5 臨界速度曲線

4 結束語

根據船舶碰撞數值研究結果，得到內河小型LNG船遭遇正面碰撞時的內殼和外殼破裂臨界速度經驗公式。通過研究，得到以下結論：

1) 可對相關航段上的會遇船進行航速安全管理。設某航段可通航2萬t的船舶，則以2萬t散貨船撞擊1.2萬m3LNG船，可得出vc1=4.493 kn，vc2=13.2 kn。若將2萬t散貨船的航速限制在4.5 kn以下，則可保證LNG船外殼不破裂；若將航速限制在13 kn以下，則可保證LNG船內殼不破裂。

2) 撞擊船或被撞船載重量越大，則被撞LNG船外殼破裂的臨界速度越小，即外殼更易破裂；撞擊船載重量越大，則被撞LNG船內殼破裂臨界速度越小，即內殼更易破裂。此外，由于LNG船邊艙寬度及舷側構件等會隨著LNG船容積的變化而變化，被撞LNG船的艙容對內殼破裂臨界速度的影響較為復雜，視實際情況而定。

3) 嚴格控制LNG船在內河航行過程中的會遇航速，可在取消設置高成本的移動安全區的同時，有效控制LNG船航行過程中的碰撞事故后果，降低事故整體風險。該研究有利于推進內河LNG運輸船的發展。

[1] 何繼強.小型LNG運輸船在中國的發展前景[J].船舶工程,2012,34(4):4-6.

[2] 王自力,顧永寧.船舶碰撞運動的滯后特性[J].中國造船,2001,42(2):56-62.

[3] MINORSKY V U.An Analysis of Ship Collision with Reference to Protection of Nuclear Power Plants[J].Journal of Ship Research,1958,3(2):1-4.

[4] JONES N.Structural Impact[M].Cambridge:Cambridge University Press,1898.

[5] ITO H,KONDO K,YOSH IMURA N,et al.A Simplified Method to Analyze the Strength of Double Hulled Structures in Collision:3rd Report[J].Journal of the Society of Naval Architects of Japan,1986，160:401-405.

[6] 由維巖.采用B型液貨艙的中小型LNG船設計關鍵技術研究[D].大連:大連理工大學,2014.

[7] 宮燕.內河小型LNG運輸船抗碰撞評估及結構加強研究[D].武漢:華中科技大學,2013.

[8] 秦洪德,紀肖,申靜.船舶碰撞研究綜述[C].船舶結構力學學術會議暨中國船舶學術界進入ISSC 30周年紀念會,2009:191-205.

[9] 張日紅.考慮晃蕩影響的船舶結構碰撞性能研究[D].大連:大連理工大學,2010.

[10] BELYSTCHKO T.Finite Element Approach to Hydronamics and Mesh Stabilization[C]//Computation Methods in Nonlinear Mechanics.The Texas Institute for the Computation Mechanics,1974.

[11] 紀肖.船舶硬擱淺損傷機理研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2011.

[12] MOTORA S,FUJIND M,SUGIURA M,et al.Equivalent Added Mass of Ships in Collision[J].Journal of Colloid & Interface Science,1971,207(2):309-316.

[13] 趙選民.試驗設計方法[M].北京:科學出版社,2006.

SimulationofCollisionStructureDamageofSmallLNGCarrierinInlandRiver

DOUXu，WUWanqing,SONGMing

(Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian 116026，China)

The process that a small LNG(Liquefied Natural Gas) carrier being hit by a bulk carrier in inland river environment is simulated numerically.The Solidworks is used as the platform of geometry modeling,and the finite element software ANSYS for numerical simulations.The uniform design experimentation is used to arrange the experiment plan,and the empirical formulas for the critical speed are derived through regression analysis of result data.The proposed method allows the speed control of approaching ships according to the dimension of the LNG carrier and the tonnage of the bulk carrier so as to protect small LNG carriers from the collision accident without introducing a moving safety zone.

ship collision; structural damage; numerical simulation; regression analysis

U661.4

A

2017-02-26

交通運輸部海事局2014年科技項目(2014-15)

竇 旭(1992—)，男，安徽巢湖人，碩士生，從事船舶安全與污染控制研究。E-mail:1184956010@qq.com

吳宛青(1963—)，男，江西南昌人，教授，博士生導師，從事船舶安全與污染控制研究。E-mail:793989102@qq.com

1000-4653(2017)02-0088-05