江海联运船舷侧防撞结构有限元计算

张 媛，徐 鹏，李 磊，谢永和，3

（1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316022；2.中国海洋大学工程学院，山东青岛 266100；3.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022）

江海联运船舷侧防撞结构有限元计算

张 媛1，徐 鹏1，李 磊2，谢永和2，3

（1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316022；2.中国海洋大学工程学院，山东青岛 266100；3.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022）

江海联运应为货物不经中转，由同一条船完成江河与海洋的运输的全程运输方式，在我国主要应用于长江三角洲和珠江三角洲地区。这种运输方式具有减少运输环节，缩短运输周期的优点。但江海联运船的往往操纵性较差，在江河的狭窄环境的航行中容易造成船舶间的碰撞。一般船舶发生碰撞时船舷部分的损坏最为严重。本文主要是针对江海联运45 000 DWT散货船进行船舷防撞结构方案与结构形式的研究。探讨江海联运45 000 DWT散货船不同区域船体结构形式的防撞能力，研究该船在碰撞过程中舷侧的损伤情况，进而完成船体舷侧防撞结构的改进方案。

江海联运;散货船;碰撞;结构改进

江海联运船是一类既适应海洋区域的航运环境，也适应江河区域的航运环境的新船型。此种船型实现了近海内河航运一体化的效果，节省运输时间和成本。随着目前江海联运船型的开发，针对此种船型的研究不断深入，且此种船型的应用日渐广泛，在长江航运和杭州湾海域及珠江海域的运输中占有一定的比重。由于江海联运船航行环境的复杂性和船舶碰撞的危险后果，江海联运船的碰撞分析问题和船型优化具有很重要的研究意义[1]。

国内很多学者对船舶碰撞做了大量的工作，其中上海交通大学的顾永宁等[2]对船舶碰撞进行仿真分析，证明了非线性有限元数值计算方法对碰撞问题的可行性。高嵩等[3]运用MSC.dytran程序建模计算，分析得出小型艇的舷侧结构碰撞损伤特性。温小飞等[4]对船舶碰撞过程从模型试验和局部结构试验等研究方法对船舶碰撞进行了介绍和讨论。

1 仿真模型

本文主要是针对江海联运45 000 DWT散货船进行防撞结构方案与结构形式的研究，探讨江海联运45 000 DWT散货船不同区域船体结构形式的防撞能力，研究该散货船在实际碰撞过程中不同结构处的损伤性能，对45 000 DWT散货船在实际航行中的碰撞事故进行数值模拟，并对该船不同结构形式的抗撞能力进行设计，完成船体防撞结构优化[5]。

1.1 计算方法

本次分析中使用的软件是MSC Software公司的MSC.Dytran非线性有限元程序。MSC.Dytran[6]是专门用于高速瞬态非线性动力问题和瞬态流固耦合问题的数值仿真软件，该软件程序采用显式方法，能够模拟各种材料和几何非线性，特别适合于分析包含大变形、高度非线性和复杂动态边界条件的短暂的瞬态动力学过程[7]。通过模拟船舶航行过程中的碰撞事故，研究碰撞过程中船体的损伤情况，评估船舶的抗撞性能[8]。

两船发生侧向对中垂直碰撞。撞击船为多用途船，被撞船为45 000 DWT散货船，主尺度为L=192.0 m、B=32.26 m、D=15.4 m、d=10.5 m、Cb=0.852 1。被撞船建立全船有限元模型，撞击船采用建立简化的有限元模型，其船首和球鼻首部分采用细化的网格，对其余远离碰撞区域的部分进行简化[9]，两船相撞处建一个网格细化的刚性撞击半球。

1.2 撞击船与被撞船的附连水质量

本文以45 000 DWT散货船为研究对象，多用途船为撞击船。撞击船分别以2、10 m/s的速度撞击散货船的货舱附近和舱壁附近。撞击时两船均处于正浮状态，且均处于无动力状态。被撞船主要发生横荡运动，撞击船主要发生纵荡运动。MINORSKY[9]总结的横荡运动的附连水质量为mx=0.4 m。MOTORA[10]总结的纵荡运动的附连水质量为my=0.04 m。

1.3 材料特性与材料应变率

本船的材料为船用结构钢。材料的本构模型选为强化弹塑性材料；屈服模型选用双线性模型；具体参数为：密度ρ=7.8×103kg/m3，模量，泊松比μ=0.3，硬化模量Eh=1.18 GPa，屈服应力σ=235 MPa。材料失效准则采用最大塑性应变作为材料的破坏准则，最大塑性应变取εmax=0.3。

本文中材料应变率的敏感性满足Cowpersymonds本构方程[10]：

式中，σ′0是在塑性应变率ε&时的动屈服应力，σ0是静屈服应力，D和q对于具体材料来说是常数。对船用钢而言，强化参数D=40.4和粘性参数q=5。

1.4 计算工况

实际的船舶碰撞中，考虑到舷侧的损伤情况，以某多用途工作船垂直撞击45 000 DWT散货船货舱部分为例，研究该散货船航行状态下发生碰撞事故的损伤情况，为后面“江海联运系列船舶”防撞结构方案设计和防撞结构形式的研究提供依据，计算工况见表1，计算模型如图1所示。

图1 多用途工作船撞击45 000 DWT散货船舱段有限元模型示意图Fig.1 The model of Multi Purpose ship impact 45 000 DWT Bulk Carrier

表1 碰撞损伤计算工况Tab.1 Loadcases of collision damage

根据以上工况的计算结果，针对该类型散货船船体结构形式，对其进行优化设计，探讨新型船体结构形式对抗碰撞性能的影响，提出改进结构形式的建议，减小船舶碰撞事故带来的损失。工况3为原船体结构形式的碰撞模拟。工况4为将舷侧上弱框架肋骨厚度适当较小，强框架厚度不变，并沿船长方向敷设扁钢，保持用钢量基本不变[11]，结构如图2所示。工况5为将舷侧上弱框架肋骨厚度适当减小，强框架不变，沿船长方向敷设T型钢材，保持用钢量基本不变[12]，结构如图3所示，工况对应的新型结构见表2。

表2 新型防撞结构计算工况Tab.2 Loadcases of new anti-collision structures

图2 新型结构一舱段有限元模型示意图Fig.2 The figure of first new anti-cillision structure

图3 新型结构二舱段有限元模型示意图Fig.3 The figure of second new anti-cillision structure

2 计算结果

LC1-LC2计算结果见表3，LC3-LC5见表4，LC1、LC2、LC4和LC5碰撞变形图如图4～7。

表3 模拟碰撞损伤结果Tab.3 The results of collision demage

表4 新型防撞结构计算结果Tab.4 The results of anti-collision structures

图4 LC1变形损伤示意图Fig.4 The displacement of LC1

图5 LC2变形损伤示意图Fig.5 The displacement of LC2

图6 LC4变形损伤示意图Fig.6 The displacement of LC4

图7 LC5变形损伤示意图Fig.7 The displacement of LC5

3 结论

（1）对碰撞接触面面积相对船体结构面积较小的碰撞事故，碰撞损伤仅发生局部破坏，碰撞事故对远离碰撞区域的结构影响较小。因而针对易被撞击区域进行局部优化，对船体抗撞性能的提高非常必要。

（2）比较两种新型防撞结构，工况4显示抗撞性能有所提高，损伤变形减小20%以上。工况5计算结果较为理想，最大应力和变形都有减小，其中损伤变形减小40%。可见第三种的舷侧结构不仅满足整体强度要求，更能提高抵抗其他结构物的撞击能力,为最有效的改进模式。

[1]许维德,陈 丰.国内江海直达船的发展概况[J].船舶工程,1998(6):12-16.

[2]王自力.船舶碰撞损伤机理与结构耐撞性研究[D].上海:上海交通大学,2000.

[3]高 嵩,陈炉云,张裕芳,等.小型艇舷侧结构碰撞损伤性能研究[J].中国造船,2011,52(1):112-118.

[4]温小飞,卢金树,崔振东.船舶碰撞过程的数值模拟及试验研究[J].浙江海洋学院学报:自然科学版,2011,30(1):71-76.

[5]王自力,顾永宁.超大型油船双壳舷侧结构的碰撞性能研究[J].中国造船,2001,43(3):58-63.

[6]张晓君.基于Nastran的船舶局部强度有限元分析[J].浙江海洋学院学报:自然科学版,2006,25(3):295-300.

[7]MSC/DYTRAN USER.S MANUAL.(Version 4.0,1997).The Macnea-l Schwendler Corporation.

[8]王自力,顾永宁.船舶碰撞动力学过程的数值仿真研究[J].爆炸与冲击,2001,21(1):29-34.

[9]MINORSKY V U.An Analysis of Ship Collision to Pro tection of Nuclear Powered Plant[J].Journal of Ship Reaearch,1959,3 (2):1-4.

[10]江华涛,顾永宁.整船碰撞非线性有限元仿真[J].上海造船,2002(2):16-21.

[11]张延昌,刘 昆,王自力.基于不同形式和刚度撞击船艏的舷侧结构碰撞能研究[J].江苏科技大学学报,2010,24(5):423-427.

[12]蔺晓红.新型舷侧防护结构耐撞性能研究[J].船海工程，2013(1):9-13.

The Research of River-to-sea Bulk Carrier Anti-collision Structure

ZHANG Yuan1,XU Peng1,LI Lei2,et al
(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022; 2.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

River-to-sea transportation refers to transporting goods without transit,by the same ship to complete the transport through the river and the sea,which is mainly applied in the Yangtze River Delta and Pearl River Delta region in China.This mode of transport has advantages of reducing the transport links, shorten the delivery cycle.But the river-to-sea ships are often poor handled in the river,and it’s easy to cause collision problems in narrow channels.This paper is mainly about anti-collision structure scheme and structure form for the river sea through transport of 45 000 DWT bulk carrier,to explore the anti-collision ability of 45 000 DWT bulk carrier hull structure of different regions,to study the damage of the bulk carrier in the actual process of collision,and then complete the optimization of anti-collision structure.

river-to-ship transportation;bulk carrier;collision;structure optimization

U661

A

1008－830X(2015)05－0457－04

2015-01-15

国家国际科技合作专项项目（2012DFR80170）

张媛（1991-），女，山东潍坊人，硕士研究生，研究方向：船舶强度与船舶结构优化.E-mail:zhangyuanzjou@163.com