被撞船速度对油船碰撞损伤发展形态的影响分析

张怀跃，温小飞，池弘福

(浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院，浙江舟山 316021)

被撞船速度对油船碰撞损伤发展形态的影响分析

张怀跃，温小飞，池弘福

(浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院，浙江舟山 316021)

采用了非线性有限元方法，模拟了撞击船的不同航速条件下，在被撞船航速为0～15 kn航速范围内发生碰撞事故，被撞船双壳船体结构碰撞损伤的发展规律与形态特征。并分析了船-船碰撞过程中被撞船速度对双壳船体碰撞损伤发展形态的影响，探索被撞船速度与被撞船内外壳破损时刻、被撞船损伤吸收能量等之间的内在关联。

船舶碰撞；油船；被撞船速度；碰撞损伤；损伤发展

近年来海运业在规模上、船舶数量上不断发展，使得在内河、沿海、远洋等航区的航行船舶数量日益增多，很多航线变得相对拥挤，给相关海域造成了很大的生态与环境保护压力。有研究发现,海洋环境污染中约有35%的污染物来自于船舶[1]。且据海事部门统计资料分析，2014年我国因碰撞造成的船舶吨位损失占各种事故总损失的19.5%。因此，在船舶碰撞事故中对船舶碰撞损伤发展形态进行预测与研究，对于避免海洋生态危机与海员生命财产安全而言具有重要意义。

在船舶碰撞损伤发展形态研究方面，已有许多学者做了大量探索。姜兴家[2]等基于159 000 DWT油船研究了船舶碰撞位置和撞击船速度对于船舶碰撞损伤发展的影响，但未考虑被撞船速度；刘超[3]等基于有限元仿真软件研究了船舶碰撞过程中被撞位置的损伤情况，但未做对比；ZHANG等[4]研究了油船液舱对船舶碰撞损伤的影响；HARIS[5]，SUN[6]等提出了新的简化方法，研究了简化状况下仿真与实际的偏差程度，为评估船舶的防撞性提供了依据；Gao[7],Tabri[8]等分别通过分析三种典型碰撞场景与解耦和耦合的方法研究了船舶碰撞的损伤形态；EHLERS等提出了一种结合仿真和分析的方法来研究船舶碰撞损害。在实船碰撞事故中，碰撞参数（撞击位置、两船速度、吨位和角度等）对船舶碰撞损伤发展都会产生不同影响；因此，进一步研究被撞船速度对船舶碰撞损伤发展的影响具有较高的研究价值。本文以7 000D WT油船为研究对象，利用非线性有限元仿真软件LS-DYNA分析与研究满载工况的被撞船速度对船-船碰撞过程中被撞双壳船体结构碰撞损伤的发展规律。

1 数学模型

船舶碰撞是一个动态的、复杂的、非线性响应过程，在动态过程中各参数间存在相互关系，运用非线性有限元数值仿真软件为研究手段，对船舶碰撞进行分析[3]。

1.1

根据连续介质力学理论，整个运动系统必然遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒。

①质量守恒方程

式中，ρ为变化后的质量密度，kg/m3；V为变化后的体积，m3；ρ0为变化前的质量密度，kg/m3；V0为变化前的体积，m3。

②动量守恒方程

式中，σij,j是柯西应力张量，N/m2；t是单位质量的体积力，N/（kg·m2）是质点加速度，m/s2。

③能量守恒方程

式中，E为变化后的能量，kj；εij为应变率张量，m；Sij为偏应力张量，N/m2；q为体积粘性阻力，N。

1.2 动力学方程

根据虚功原理，可得到

在式（4）中，δxi在∂b2上满足所有边界条件，并应用散度定理可得：

其分部积分：

于是，可得出碰撞系统的控制方程：

对式（7）进行离散化，得到离散方程为：

式中，M为总体质量矩阵；x¨为总体节点加速度矢量；P为总体载荷矢量：由节点载荷面力、体力等组成；F为单元应力场的等效节点力矢量（或称为应力散度）组成。

2 模型及模拟方案

2.1 几何模型

双壳船体结构损伤是一个多尺度、非线性、复杂、动态多阶段发展过程，在数值计算时，需要考虑的因素也很多；其中计算机处理能力与模型模拟适应性需要重点考虑，否则会导致一系列问题，甚至无法进行正常的数值计算。双壳油船碰撞损伤发展主要涉及到船体结构的失效形式、表征特征、发展规律及其影响因素，因此在建模过程中需要充分考虑到这些因素。基于该思路对原型船（即7 000 DWT油船）的几何结构进行简化处理，建立了如图1所示的几何模型，图中A代表撞击船，B代表被撞船；其具体简化处理手段包括：1）对于被撞船，采用一个油舱长度的船体结构来代替整船，不考虑被撞船重量，同时被撞船双壳船体结构主要体现大构件结构，而忽略小构件；2）对于撞击船，视为刚体，用原型船的首部结构替代整船，其外形与原型船首部形状一致，并通过密度调整法将整船的重量集中均匀分布在简化后的撞击船；3）碰撞过程中，忽略水对船的作用；4）假设碰撞时间远小于船舶的运动周期，碰撞后两船舶一起运动。

以7 000 DWT油船船体结构为基础，进行简化后撞击船与被撞船的几何尺寸如表1所示。

图1 船舶碰撞模型几何示意图Fig.1 Geometry aketch of the ship collision model

表1 船舶模型的几何尺寸Tab.1 Geometry size of the ship model

2.2 物性参数

根据双壳船体结构材料特点和LS-DYNA设置要求，将图1中的撞击船A采用了RIGID模型，而被撞船B物性参数设置采用了PLASTIC KINEMATIC模型，由于现实中制造船舶主要使用的是45号钢，因此将材料的密度设为7 800 kg/m3、弹性模量设为210 GPa、泊松比设为0.3，其中被撞船的失效应变设置为0.15。

2.3 碰撞方案

为了全面、系统研究被撞船速度对船舶碰撞损伤发展的影响，采用了如图1所示的几何模型，设计如表2所示的三个系列船舶碰撞模拟方案：将撞击船的速度分别定为13节～15节共计三组，每组中又包含16个方案即被撞船速度从0节～15节。

表2 模拟方案表Tab.2 Models table

3 数值分析与讨论

通过上述碰撞方案设置的参数进行一系列的计算后，发现所得到的结果在内外壳破损时刻点和内外壳破损时刻点的碰撞能量上存在着明显的规律性变化，并且船舶碰撞损伤的形态也随着被撞船速度的变化而改变。因此在本节中具体分析与探讨这三个方面的规律。

3.1 内外壳破损时刻点

通过数值计算，所得内外壳破损时刻点的比较结果如图2所示。由图2分析可得：（1）在撞击船较大速度撞击的情况下，外壳破损时刻点随两船初速速度变化而改变的程度很小，基本趋于稳定。其主要原因是在撞击船速度较大的情况下，所具有的初动能很大，而外壳破损所需要的能量远小于初动能，因此在两船接触不久之后，外壳就会破损，不随被撞船速度的变化而变化。（2）随着被撞船速度的增加，内壳破损的时刻点逐渐变小，并且内壳破损的时刻点也随着撞击船速度的增加而减小。其主要原因是外壳破损到内壳破损之间需要吸收大量能量，该能量占据了初能量的较大部分；因此，当速度较小时消耗在被撞船结构损伤的能量所占比重就大，从而导致撞击船破坏内壳时的能量就小了，从而延长了内壳破损时间。

图2 内外壳破损时刻曲线Fig.2 Damaged time curve of the double hull

3.2 内外壳破损时刻点的能量分布特性

船舶碰撞过程中，被撞船和撞击船之间的运动状况和变形状况都与船舶自身的动能和内能有关，因此分析船舶碰撞碰撞过程中动能与能内的变化情况是具有研究意义的。在本文中提取被撞船内外壳破损时刻点这一特征点为研究对象，分析被撞船在各个被撞船速度下被撞船的动能和内能的变化情况，如图3和图4所示。从图中可见：Ⅰ碰撞过程中，被撞船的动能和内能都有所增加，但是内能起主导作用，占了被撞船总吸收能量80%左右；主要原因是船舶碰撞过程中以船体结构破损及失效吸收撞击船能量为主要形式。Ⅱ在不同撞击船速度的情况下，内外壳破损时被撞船所吸收的能量在同一个数量级。Ⅲ随着被撞船速度增加，内壳破损时刻点被撞船所吸收内能呈明显下降趋势，说明在被撞船速度增加情况下被撞船吸能效果越差，其主要原因是受船舶剪切力的影响。

图3 内能-速度曲线（被撞船）Fig.3 Internal energy-velocity curve of Struck ship

图4 动能-速度曲线（被撞船）Fig.4 Kinetic energy-velocity curve of Struck ship

4 结语

被撞船速度对船舶碰撞存在着明显的影响，其具体影响规律如下。

(1)船舶碰撞过程中随着被撞船速度的改变，被撞船内壳破损的时间和被撞船内外壳破损时吸收的内能与动能均发生显著的变化，因此在进行船舶碰撞分析过程中不能忽略被撞船速度的影响。

(2)随着被撞船速度的增加，由于发生撕裂式剪切破损将导致被撞船吸收的内能明显减少，舷侧结构吸能效果降低。

[1]江 璐,潘沪湘,袁海霞.我国海洋船舶污染现状及防治措施[J].化工管理,2013(1):46-47.

[2]姜兴家,张 鹏,吴文锋.撞击位置和初速度对被撞船舶舷侧结构的影响[J].中国航海,2012,35(2):76-80.

[3]刘 超,李范春.有限元仿真在船舶碰撞研究中的运用[J].大连海事大学学报,2013,39(1):15-18.

[4]ZHANG A,SUZUKI K.A comparative study of numerical simulations for fluid-structure interaction of liquid-filled tank during ship collision[J].Ocean Engineering,2007,34:645-652.

[5]HARIS S,AMDAHL J.Analysis of ship-ship collision damage accounting for bow and side deformation interaction[J].Marine Structures,2013,32:18-48.

[6]SUN B,HU Z Q,WANG G.An analytical method for predicting the ship side structure response in raked bow collisions[J].Marine Structures,2015,41:288-311.

[7]GAO Z Q,HU Z Q,WANG G,et al.An analytical method of predicting the response of FPSO side structures to head-on collision[J].Ocean Engineering,2014,87:121-135.

[8]TABRI K.Influence of coupling in the prediction of ship collision damage[J].Ships and Offshore Structures,2012,7:47-54.

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Analysis on Influence of the Struck Ship's Velocity on Damage Development of Oil Tankers'Collision

ZHANG Huai-yue,WEN Xiao-fei,CHI Hong-fu
(School of Shipping,Port&Civil Engineering,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

In this paper,different conditions of the impacting ship speed and the struck ship's speed is in the range of 0～15 kn have been simulated using the nonlinear finite element method,which shows the damage development regularity and characteristics of ship collision of the double hull struck ship.And analyzing the influences of the speed of struck ship on the damage development morphology of the double hull structure,exploring the intrinsic connection between the speed of struck ship and the time of double hull broken,the energy absorption of struck ship and etc.

ship collision;oil tanker;velocity of struck ship;collision damage;damage development

U663.4

:A

1008－830X(2015)06－0554－05

2015-08-10

张怀跃（1993-），男，研究方向：船舶安全与防污染.E-mail:923055347@qq.com