新型防撞體系的船舶撞擊影響因素研究

戴振華，蔡建國，史常龍，杜彩霞

（1.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.東南大學，江蘇 南京 211189）

近年來，隨著水運行業的快速發展和干線航道網的逐步完善，船舶進出船閘的頻率和規模不斷增加，導致船舶與閘門之間碰撞事故發生的頻率增加。為確保閘門受撞擊后結構的安全，對船舶撞擊力進行研究極為重要。國內外的規范均對船舶撞擊力的計算進行了規定，我國《船閘閘閥門設計規范》[1]明確規定了船舶撞擊力的計算方法。然而，規范采用的計算方法并不能準確反映船舶撞擊的真實情況。為解決船舶撞擊力計算方法不夠準確的問題，高家鏞等[2]提出了一種新的計算方法，即應用船舶運動理論來計算撞擊力，并進行了試驗驗證。馬曉攀等[3]運用數值模擬方法，對船舶撞擊作用下閘門主要受力構件的變形和應力狀態進行了分析。此外，張啟靈等[4]考慮了閘門材料的彈塑性、失效和結構大變形等復雜因素，對船舶正面撞擊弧形閘門的過程進行了詳細的模擬分析。國內外許多專家學者采用不同軟件模擬船-橋或船-船動力碰撞過程，以替代傳統的經驗公式計算[5-7]。

在閘門實際運行中，閘門防撞體系受船舶撞擊的情況比較復雜，因此，深入研究不同因素對閘門防撞體系的影響，對于防撞體系的設計和優化具有重要意義。本文探討了船舶撞擊時的影響因素，并基于數值模擬，對防撞體系受撞擊時的力學響應進行了研究。

1 有限元建模

本文采用有限元軟件ABAQUS 對三角閘門以及撞擊用到的船舶建模，閘門各構件及船舶使用的單元類型及材料如表1 所示。

表1 船體與閘門各構件單元類型及使用材料匯總

在對三角閘門進行有限元分析時，其實際約束條件比較復雜，因此本文對其進行了一定程度的簡化。具體而言，本文對頂樞水平面內和豎直方向的位移U1、U2進行了約束，對底樞水平面內和豎直方向的位移U1、U2、U3進行了限制，同時限制了兩端羊角的U1、U2位移。此外，對啟閉桿的U1、U2 及轉動位移UR1、UR2、UR3 進行了限制。閘門的具體約束情況詳見圖1。

圖1 三角閘門約束條件

同時對船體進行建模，船體網格單元采用實體單元，船體模型如圖2 所示。

圖2 船體模型

2 計算工況

本研究旨在分析排水量、速度和撞擊角度三種因素對閘門受撞擊時的受力影響。為此，選取了不同排水量的船舶（1000t、2000t、2500t、3000t、3500t 和4000t）、不同速度的船舶撞擊（1.4m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s 和3.5m/s），以及不同角度的船舶撞擊（4°、5°、6°、7°和8°）。取值統計如表2 所示。

表2 不同影響因素取值

同時，由于防撞體系的中間位置在實際中受撞擊概率較大，故選取防撞體系的中間位置作為撞擊點，具體撞擊位置如圖3 所示。

圖3 撞擊點示意圖

3 計算結果分析

3.1 船舶排水量的影響

針對不同排水量的船舶，在撞擊作用下，豎梁、橫梁和支撐的動力響應情況見表3。此外，為了更全面地分析這些構件的應力變化趨勢，繪制了不同排水量下豎梁、橫梁及支撐的應力變化圖，如圖4 所示。

圖4 不同噸位下各桿件應力變化

表3 不同船舶噸位下各構件在撞擊作用下的應力(MPa)

根據表3 和圖4 的數據分析可知，隨著船舶噸位和排水量的增加，豎梁、橫梁和支撐所承受的應力逐漸增大，且呈線性增長趨勢，但增幅較小。例如，當船舶噸位增加4 倍時，豎梁所承受的應力增加了100 MPa，而橫梁和支撐所承受的應力增幅分別為39 MPa 和50 MPa，且均達到了屈服強度。

因此，可以得出結論：船舶的噸位對船閘防撞體系各構件在撞擊動力下的響應影響較小。這是因為船舶的質量主要影響其慣性，而在撞擊過程中，船舶的質量對構件所承受的應力變化影響較小。

3.2 撞擊速度的影響

考慮到船舶噸位對船閘防撞體系的響應影響較小，因此在分析撞擊速度時，通常取船舶噸位為常數以體現撞擊速度的影響。在本研究中，我們選取了船舶噸位為1000t，并通過表4 和圖5 展示了不同撞擊速度下各構件的應力值和應力變化趨勢。

圖5 不同撞擊速度下各桿件應力變化

表4 不同撞擊速度下各構件在撞擊作用下的應力(MPa)

通過對表4 和圖5 的分析，可以發現隨著船舶速度的增加，豎梁、橫梁和支撐的應力也相應增加。具體而言，豎梁的應力增長率最大且變化趨勢最為陡峭，橫梁和支撐的應力增長率相對較小，變化趨勢較為平緩。需要特別注意的是，在船舶速度超過2.5m/s 時，豎梁會出現屈服，發生塑性變形，而橫梁和支撐的應力仍在彈性范圍內。這表明豎梁在撞擊過程中較為脆弱，容易發生破壞。因此，在設計船閘防撞體系時，需要重點關注豎梁的強度和穩定性，以確保其能夠承受高速撞擊并保護其他構件的完好性。此外，針對不同構件的應力變化趨勢，也應采取相應的措施來保證整個防撞體系的性能。

3.3 撞擊角度的影響

為了分析撞擊角度對于船閘防撞體系構件應力的影響，本文取船舶噸位為1000t，并將不同撞擊角度下構件所受撞擊的應力值匯總于表5。同時，圖6 顯示了應力值隨角度變化的整體趨勢。

圖6 不同撞擊角度下各桿件應力變化

表5 不同撞擊角度下各構件在撞擊作用下的應力(MPa)

根據表5 和圖6 的結果可知，隨著船舶撞擊角度的增加，豎梁、橫梁和支撐的應力也相應增大，其中豎梁在船舶的撞擊角度超過6 度時就會屈服，發生塑性變形。相比之下，橫梁和支撐的應力變化較為平緩，在彈性范圍內，表明其具有一定的抗撞性能。據此可以得出結論，船舶撞擊角度的增加會使得船閘防撞體系的各構件承受更大的力，從而導致應力增大和破壞風險增加。因此，限制船舶偏離中心航線的角度，使其盡可能沿著航道的中心線行駛，可以有效減小船舶與防撞體系之間的撞擊角度，降低破壞風險，提高船閘防撞體系的安全性和可靠性。

4 結論

隨著船舶噸位的增加，豎梁、橫梁和支撐所承受的應力呈線性增長趨勢，但增長程度并不顯著。同時，隨著船舶速度的增加，豎梁、橫梁和支撐的應力也呈線性增長趨勢，其中豎梁會在船舶速度超過2.5m/s 時屈服，導致其發生塑性變形，而橫梁和支撐的應力仍處于彈性范圍內。此外，豎梁、橫梁和支撐所承受的應力也隨著船舶撞擊角度的增加呈線性增長趨勢，當1000 噸船舶的撞擊角度超過6 度時，豎梁的應力達到屈服應力，并發生塑性變形，而橫梁和支撐的應力仍在彈性范圍內。因此，在航行中，船舶應該遵守規范行駛，盡可能避免偏離中心航線，以防止撞擊角度過大的情況發生。