船舶碰撞損傷危險區間界定研究*

張 磊 甘浪雄 李 慧 周春輝 鄭元洲 趙曉博

(武漢理工大學航運學院1) 武漢 430063) (內河航運技術湖北省重點實驗室2) 武漢 430063)(長江航運發展研究中心3) 武漢 430014) (南京海事局4) 南京 210011)

0 引 言

兩船碰撞過程是在短時間內發生的非線性動態響應過程，影響因素包括兩船碰撞時的速度、角度及位置等，從船體自身來說，結構耐撞性能是其主要因素[1-3].船舶粗略可以分為船首段、船中段和船尾段，船舶不同區間段的結構強度不同，碰撞所導致的損傷、損失和風險程度也將有所不同.若碰撞不可避免時，駕駛員采取應急操縱使船舶避開碰撞危險區間，對減少碰撞損傷和損失有著重要的意義.

國內外學者對有限元方法的可靠性做了大量研究，通過與實船試驗或實際勘驗結果進行對比，分析有限元法的準確性和可靠性，得出仿真結果與實際吻合度較高[4-5].劉闖等[6-8]利用不同的風險評估方法，定性或定量對船舶碰撞風險進行評估，并提出相應的措施；Brown等[9-10]從風險角度定量分析了船舶碰撞結構損傷和風險性情況.

若綜合考慮不同碰撞區間的有限元仿真試驗結果及碰撞后的風險評估結果，將能更加合理和準確的界定船舶碰撞最危險的區間.本文以兩艘10 000 t級單舷側結構散貨船為研究對象，將被撞船劃分為“船首球鼻首段”“船中貨艙段”和“船尾機艙段”三個碰撞區間段，并建立相應的有限元碰撞模型，從碰撞應力、結構損傷、能量變化3個方面對船舶三個碰撞區間進行有限元仿真，同時從碰撞概率、碰撞后果兩個方面對三個碰撞區間的風險進行分析，最終確定船舶碰撞最危險的區間.

1 碰撞區間有限元仿真分析

1.1 有限元碰撞模型建立

本文選取兩艘10 000 t級散貨船作為研究對象，撞擊船和被撞船的尺度見表1.

表1 碰撞船舶基本參數表

設定的碰撞場景為兩船正碰，由于碰撞過程中，撞擊船船首變形一般非常小，而被撞船損傷變形較大[11]，故本文將撞擊船視為剛體，將被撞船視為變形體.此外，由于船舶碰撞具有局部效應，為了提高運行速度，往往利用等效梁模型來代替遠離碰撞區域的有限元模型.本文所研究的被撞船不同區間段均參與碰撞，故不能對其簡化；而撞擊船僅球鼻首為碰撞區域，為了提高運行效率，球鼻首后面的船體部分可利用等效梁模型代替.因此，需建立被撞船整船模型，撞擊船有限元模型可進行簡化處理.本文根據船舶實際圖紙建立有限元模型，圖1為被撞船和撞擊船的有限元模型.

圖1 有限元模型

有限元模型建立完成后，需進行接觸、材料、屬性、約束等參數定義和設置.本文選擇船用結構鋼(高強度鋼)作為船舶材料，其材料模型選用塑性動態模型[12]；采用自適應主-從接觸算法，且對模型不施加約束，使碰撞船舶具有六自由度的運動；同時采取質量分配的方法對貨物進行等效處理，將貨物的質量分配至不影響碰撞的區域構件上；在處理水的作用時，對被撞船周圍的水采取流固耦合方法，以提高計算精度，而由于撞擊船不是研究重點，為了節約運行時間，對撞擊船周圍的水采取附連水質量法.

三個碰撞區間所對應的有限元碰撞模型見圖2.

圖2 各碰撞區間的船舶碰撞有限元模型

1.2 船舶碰撞仿真

針對不同碰撞區間建立模型后，進行輸出設置，設置運行時間均為0.5 s，相對撞擊速度均為7 000 mm/s，相對撞擊角度均為90°，并利用MSC.Dytran進行運行.

1.2.1碰撞應力

兩船碰撞時，相互間會產生碰撞接觸力，隨著碰撞的發生，接觸力將不斷發生變化，直至碰撞結束，接觸力降至0.圖3為三個不同碰撞區間的碰撞力有所不同.

圖3 各碰撞區間碰撞力時序曲線圖

由于本次試驗設置時間為0.5 s，此時船舶碰撞并未結束，故碰撞力在0.5 s時不為0.由于船體結構在巨大的碰撞載荷下往往會出現變形甚至破裂，若船體構件出現破裂，即代表該結構失效，此時碰撞力將下降，應力卸載現象發生，因此，在船舶碰撞的過程中，會形成波動明顯的碰撞力曲線變化.由圖3可知，不同碰撞區間船舶碰撞力的變化趨勢一致.比較三個區間的碰撞力大小，可以得出在碰撞的過程中，船首球鼻首段平均碰撞力高于船中貨艙段，船尾機艙段最小.說明船尾段結構強度最小，意味著，船尾結構在同等撞擊條件下承受碰撞載荷的能力最小，更容易發生結構失效.圖4為三個碰撞區間的應力云圖，可以看出應力主要集中在碰撞區域，且距離碰撞區域越遠，應力越小，顏色表現越淺.

圖4 被撞船應力云圖

1.2.2結構損傷

在0.5 s的碰撞時間里，三個碰撞區域均出現了外板破裂的情形，但結構損傷的程度和范圍有所不一，見圖5～7.

圖5 船首球鼻首段碰撞區域結構損傷云圖

船首球鼻首段產生碰撞力，被撞區域外板在外部載荷的作用下開始發生變形，且變形不斷向兩端延伸；在0.38 s時，外板達到了其最大失效應力值，失效單元將從網絡中自動去除，即開始出現破裂；隨著碰撞的進行，更多的構件參與變形，在撞擊船持續的動能作用下，碰撞區域破口不斷增大；直至仿真結束，外板破口近似為長方形，破口長度約為5 251 mm、寬度約為925 mm.

圖6 船中貨艙段碰撞區域結構損傷云圖

船中貨艙段碰撞區域的損傷情況與船首類似，但在同樣的撞擊條件下其損傷程度更嚴重，如圖7所示.在0.37 s時，被撞船舷側出現破口，直至仿真結束，舷側外板破口與船首段類似，近似為長方形，但破口尺度較船首段更大，長約為6 900 mm，寬度約為1 760 mm.

圖7 船尾機艙段碰撞區域結構損傷云圖

船尾機艙段與船首段和船中段的損傷過程不同，它包括二個損傷部分：①水線面以上部分，②水線面以下部分.當撞擊船碰撞船尾段時，撞擊船首上部結構先接觸被撞船的船尾結構，隨后撞擊船下部球鼻首接觸被撞船尾外板.從仿真時序圖來看，在0.16 s時，船尾水線面以上的尾樓甲板及連接的艙壁出現破口；在0.37 s時，水線面以下的尾部外板出現破口；直至0.5 s時，上部結構損傷破口長約3 010 mm、寬約2 930 mm，下部結構損傷破口長約2 900 mm、寬約1 970 mm.與前兩個碰撞區域相比，損傷范圍最大，且發生破裂的時間最早.

總體而言，在相同的撞擊條件下，三個碰撞區域結構出現了不同程度的變形和損傷.通過分析和對比，船尾機艙段的損傷程度最大.

1.2.3碰撞能量

撞擊船以一定的初始動能撞擊被撞船，兩船在初始動能的作用下會發生能量轉換.由于本文撞擊船為剛體，不發生變形能吸收過程，且被撞船初始動能為0，故撞擊船的動能損失會轉換為被撞船的塑性變形能、被撞船動能及沙漏能，其中，塑性變形吸能所占比重最大.各能量轉換的具體數值見表2.

表2 能量轉換數據表 ×105 J

結構的極限吸能指舷側外板破裂瞬時的變形能大小.對于三種不同的碰撞區間，在相同的撞擊條件下，如果被撞船極限吸能越小，表示所能承受的撞擊能量越小，其外板越容易發生破裂，區間越危險.根據表3的結果，單純就結構破裂時的極限吸能而言，船尾機艙段結構防撞性能最弱，所能承受的撞擊能量最小，區間危險度最高.

表3 外板破裂時刻的極限變形能

2 船舶碰撞損傷風險評估

2.1 碰撞概率分析

為了分析三個碰撞區間段的碰撞概率，本文對近年各海事局轄區水域的水上交通事故情況進行統計和分析，包括深圳、福州、連云港、廈門等轄區水域.首先對事故進行分類，得出水上交通事故種類分布概率；其次在碰撞事故中對涉及到的船舶種類進行分類，得出碰撞事故中船舶種類分布概率；最后，針對散貨船的碰撞事故進行分析，從而得出三個碰撞區間發生碰撞的概率情況.并以“頻繁發生(發生概率70%以上)、很可能發生(發生概率40%～70%)、很少發生(發生概率10%～40%)、極少發生(發生概率10%以下)”為四個等級進行劃分統計，分析結果見表4.

表4 散貨船碰撞事故中各區間段發生碰撞頻率分布

根據調研收集到的數據分析可得，在散貨船碰撞事故中，船首球鼻首段發生碰撞的可能性最大，船中與船尾發生頻率相差不大.通過對其進行等級劃分，船首球鼻首段發生概率屬于“很可能發生”等級，其他兩個區間段屬于“很少發生”等級.

2.2 碰撞后果分析

采用二級模糊綜合評價方法對3個區間發生碰撞的后果嚴重度進行分析，具體包括確定評價因素、評價集、評價標準、隸屬度、各因素的權重，以及進行模糊綜合評價和評價結果分析.其中評價因素見表5.

表5 船舶碰撞后果嚴重度二級評價因素模型

針對船舶碰撞后果嚴重度的大小，本文將其劃分為五個等級，即V={V1，V2，V3，V4，V5}={輕微，較輕度，中度，較嚴重， 非常嚴重}.并參考“水上交通事故管理辦法(2015年1月1日實施)”和“水上交通事故分級標準”(交通部2002年第5號)，同時征求海事部門、船員以及船公司的意見進行分級，確定各評價因素的評價標準見表6.

表6 各評價因素的評價標準

以表6的評價標準為基礎，采用隸屬函數以及專家打分的方式確定隸屬度.對于定量因素的分析，采用嶺型隸屬函數，以經濟損失為例，其隸屬度函數為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

此外，通過對海事部門、船員、船公司、專家等進行問卷調查，同時利用YAAHP(yet another AHP)軟件構建的層次結構模型(見圖8)，最終計算得出各一級指標和二級指標對應的權重值.

圖8 船舶碰撞后果嚴重度層次結構模型圖

最后，將V量化為{1，2，3，4，5}，并設bj為二層級模糊綜合評價所得的向量值，則最終評估結果為

(6)

所得到的Q值即為船舶碰撞危險度整體評價的等級.根據計算，船首球鼻首段Q=2.155 1，即發生碰撞后所導致的后果嚴重度為“較輕度”；船中貨艙段Q=3.411 4，為“中度”；船尾機艙段Q=3.945 4，為“較嚴重”.

2.3 FSA綜合評估

參考國際海事組織(IMO)建議的規范化安全評估方法(FSA)對碰撞概率與碰撞后果進行綜合評估.本文采用的FSA風險評估矩陣見表7.

表7 FSA風險評估矩陣表

將三個區間的碰撞概率與后果嚴重度分別代入表7中，其中對應的水平越高表示風險越大.因此，綜合評估船舶碰撞損傷風險情況得出，船舶船尾機艙區間段發生碰撞后，其損傷風險最高.

3 危險區間界定及建議

在有限元仿真方面，綜合分析得出船舶碰撞船尾機艙段的損傷危險度最高，其次是船中貨艙段，最后是船首球鼻首段；在風險評估方面，得出船舶船尾機艙區間段發生碰撞后的損傷風險最高，船中貨艙段與船首球鼻首段風險水平一樣.綜合有限元仿真以及風險評估兩個層面，最終得出船舶碰撞損傷最危險的區間為船尾機艙區間段，最不危險的區間為船首球鼻首區間段，船中貨艙段的危險度位于兩者之間.

若兩船碰撞不可避免，為了減少船舶碰撞的損傷和損失，提出以下兩點建議：

1) 在結構優化方面，建議船舶從舷側結構上進行改進和優化，可采取新型舷側結構，提高自身的耐撞性能，從而達到降低船舶碰撞結構損傷的目的.填充層結構增強了船舶的防撞性能，建議優化和改良船尾機艙段結構，在不影響船舶總縱強度的前提下，可添加必要和適當的填充層結構來增強船舶的耐撞性[13].

2) 在應急操縱方面，由于船尾機艙段為船舶碰撞損傷最危險的區間，故建議在碰撞不可避免的情形下，駕駛員應采取轉向操作，避免碰撞船尾機艙區間段.

4 結 論

1) 運用MSC. Dytran進行有限元仿真，綜合考慮3個碰撞區間的碰撞應力、結構損傷和能量變化的仿真結果，得出船舶碰撞船尾機艙區間段的損傷危險度最高，其次是船中貨艙段，最后是船首球鼻首段.

2) 利用風險評估方法對三個區間段的碰撞概率和后果進行風險評估，基于近年各水域的水上交通事故數據，并采用模糊綜合評價以及FSA風險評估法，最終界定船舶船尾機艙區間段發生碰撞后的損傷風險最高.

3) 綜合有限元仿真以及風險評估兩方面研究，得出船舶碰撞損傷最危險的區間為船尾機艙區間段.為了減少船舶碰撞的損傷和損失，建議優化和改進船舶機艙段結構，且在碰撞不可避免的情形下，建議駕駛員采取轉向操作，避免碰撞船尾機艙區間段.

[1] 陳馳.船舶碰撞問題研究綜述[J].東北水利水電,2016(4):67-70.

[2] LI H, GAN L, LIU J, et al. Application of finite element simulation to damage on ship structures during ship collisions[C]. The Twenty-fifth International Ocean and Polar Engineering Conference. Hawaii, USA,2015.

[3] 李慧,張磊,甘浪雄,等.夾層板改善單舷側散貨船耐撞性能的數值模擬分析[J].船海工程,2015,44(6):35-40.

[4] OZGUC O, DAS P K, BALTROP N, et al. Numerical modeling of ship collision based on finite element codes[C]. 3rdInternational ASRANet Colloquium. Glasgow,UK,2006.

[5] 趙曉博.船舶碰撞的有限元仿真研究[D].武漢:武漢理工大學,2016.

[6] 劉闖.新加坡海峽超大型船舶碰撞風險分析[D].大連:大連海事大學,2016.

[7] 金玉娟.船橋碰撞風險評估與防撞設施研究[D].武漢:武漢理工大學,2011.

[8] 楊波,劉煒,聞虎,等.中國近海船舶碰撞風險評估研究[C].中國航海學會海洋船舶駕駛專業委員會2009年度學術研討會，大連，2009特大型船舶操縱和船舶安全與管理論文集，2009.

[9] BROWN A J. Collision scenarios and probabilistic collision damage[J]. Marine Structures,2002,15(4):335-364.

[10] OTTO S, PEDERSEN P T, SAMUELIDES M, et al. Elements of risk analysis for collision and grounding of a roro passenger ferry[J]. Marine Structures,2002,15(4):461-474.

[11] 呂達.船舶碰撞區域損傷的研究及應用[D].大連:大連海事大學,2012.

[12] SERVIS D, SAMUELIDES M, LOUKA T, et al. Implementation of finite-element codes for the simulation of ship-ship collisions[J]. Journal of Ship Research,2002,46(4):239-247.

[13] 李慧,張磊,甘浪雄,等.舷側圓管式夾層板結構耐撞性能優化設計[J].船舶工程,2016,38(4):51-55.