液货黏度对双壳油船舷侧结构碰撞性能的影响

吴文锋， 杨雨滨， 张建伟， 卢金树， 王帅军

(浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院，浙江 舟山 316022)

随着全球贸易往来的不断加速，航行船舶的数量大量增加，而且航速不断提高，航线也越来越拥挤，船舶碰撞事故发生的可能性显著增加。船舶碰撞事故的后果往往是灾难性的，尤其是大型油船的碰撞事故，它将直接引起油船船舱破裂舱内进水和大量石油外泄，导致海洋环境的严重污染[1]。因此，研究载货油船碰撞性能具有重要意义。

近年来,学者们针对油船碰撞进行了广泛的研究和探讨，取得了一定成果[2-7]。然而，在油船碰撞损伤机理研究中，由于油船碰撞问题本身的复杂性及求解技术的限制等因素的影响,使得在油船结构碰撞损伤特性及耐撞性能研究中普遍忽略舱内液货的影响作用。随着计算机软硬件技术的不断升级更新，有限元技术的日益进步和成熟，部分学者针对碰撞载荷作用下双壳油船舱内液货晃荡的非线性动力学开展了初步探讨。杨树涛[8]开展舱内液货对舷侧结构碰撞特性的研究，发现舱内液货对碰撞特性有一定影响。CUI等[9]针对双壳油船的某个舱段，分析80%载货率状态下舱内液体晃荡对双层舷侧碰撞性能的影响。ZHANG等[10]采用3种数值仿真方法对碰撞载荷作用下油船内流体与结构的相互作用进行研究，发现线性晃荡模型与任意拉格朗日-欧拉法所得结果有偏差，而缩减拉格朗日-欧拉法CPU计算时间所得结果合理，可作为实际工程应用的方法。吴文锋等[11]分析舱内液货晃荡对舷侧结构碰撞性能的影响，研究结果表明，研究双壳油船碰撞时不能忽略舱内液货的影响。目前研究以舱内载货晃荡对碰撞损伤的影响为主，而对舱内液货黏度在油船碰撞过程中的影响机制尚未有研究。

基于此，通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA，以双壳油船为研究对象建立船舶碰撞模型，为凸显液货黏度的影响，分别针对5种不同原油黏度在载货率均为80%的情景下开展数值仿真计算，通过对碰撞力、结构损伤变形和结构吸能等比较分析，总结出液货黏度对双壳油船碰撞性能的一般影响规律。

1 模型建立

考虑到碰撞损伤的局部特性及缩减计算时间，在建立数值模型时，需对模型进行简化处理。其中，被撞船以一段货舱为研究对象，通过其周边舱室分布整船质量，以此保证被撞船的质量和重心等与实际一致。

撞击船由艏部和货舱组成，通过改变货舱尺寸和质量实现撞击船的重心和质量与实际一致。船舶碰撞数值模型见图1。

结构材料模型采用ANSYS/LS-DYNA所提供的Cowper-Symonds本构方程[12]，并考虑材料应变硬化影响，失效应变取为0.1。液体材料模型采用Null材料模型，液体的状态方程采用GURNEISEN状态方程[11]。本文仿真计算中的液货采用的是原油，其状态方程各参数见表1。

在计算过程中，舱内液货采用任意拉格朗日-欧拉法(Arbitrary Lagrange Euler，ALE)实现与双壳油船舷侧结构之间的流固耦合问题，主要通过设置LS-DYNA中关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID以实现结构参数和流体单元之间的传递关系。

2 碰撞情景

本文选用撞击船为5万吨散货船，被撞击船为5万吨双壳油船。相撞船舶的主要尺寸见表2。

表1 原油材料参数

表2 相撞船舶的主要尺寸 m

为凸显舱内液货黏度的影响作用且考虑货油运输过程中原油黏度的实际情况[13]，原油黏度的选择范围基本包括一般运输过程中的原油黏度，部分原油黏度见图2[14]。因此，载货油船舱内液货黏度选择同等密度下动力黏度分别为0.000 4 Pa·S、0.004 Pa·S、0.04 Pa·S、0.4 Pa·S、4 Pa·S的原油，该原油黏度涵盖范围见图2。

图3～图5分别为撞击速度2 m/s、4 m/s及8 m/s的被撞击船内能-撞深曲线图。对比图3～图5可知，撞击速度的改变对被撞击船内有一定的影响，但在同一撞击速度下，液货黏度的改变对被撞击船内能影响不大。由于这里仅考虑液货黏度改变对被撞击船舷侧结构碰撞性能的影响，为此，选择撞击初始速度为2 m/s。

综上，本文所建立的碰撞情景为5万吨散货船以2 m/s的撞击速度垂直对中撞向5万吨双壳油船。

3 仿真计算结果及分析

3.1 舱内原油响应

原油平均动能随撞深变化关系曲线见图6。原油平均动能变化主要分为3个阶段。

1) 撞深在约[0，0.88]m之前，撞击船艏部与被撞船外壳接触作用，碰撞能量通过被撞船船体结构向舱内液货传递。此阶段由于能量传递存在滞后性，且舱内液货需积累一定能量以克服惯性开始晃荡，因此此阶段舱内液货平均动能增长缓慢。

2) 撞深为(0.88～2.28]，此阶段撞击船与被撞船双壳间构件发生作用，舱内液货能量积累达到运动阈值将开始运动，其动能明显增加，但由于碰撞能量主要由舷侧结构损伤变形吸收，且舷侧结构变形未对内壳产生影响，舱内液货吸收能量较少，其动能后续增长减缓。

3) 撞深为(2.28～3.03]m，此时撞击船通过舷侧构件作用内壳，内壳出现变形，部分碰撞能量由内壳传递于舱内液货。随着撞击船继续推进，撞击船艏部与内壳直接作用，内壳发生严重变形并对舱内原油产生一个挤压作用，造成舱内原油发生剧烈运动。此外，从图5中可看出在各阶段各原油黏度对应的原油动能变化基本一致，说明此碰撞情景下原油黏度对原油动能的影响很小。

3.2 碰撞力分析

碰撞力随撞深的关系曲线见图7。由图7可知，模型碰撞力可划分为3个阶段。

1) 在撞深约[0，0.88]m，撞击船撞击被撞击船，此时被撞船外壳发生变形但未破损。由于被撞击船舷侧结构变形阻碍撞击船的推进，碰撞力显著增加。此阶段舱内液货黏度不同并不改变被撞船的总质量，各模型碰撞力基本一致。

2) 撞深为(0.88～2.28]m，此阶段原油已具备一定动能，此时碰撞力除由固体之间接触产生之外，还包括部分由液体晃荡所产生的流固耦合力的作用。在该阶段初期，随着外壳破损失效，撞击船所受阻碍作用减弱，碰撞力随之减小。该阶段后期，舱内液货运动对船舶结构产生影响，同时伴随着撞击船继续与结构接触作用，碰撞力随着撞深出现波动。由于液货黏度对原油动能影响很小，各模型舱内原油运动对整体结构影响情况基本一致，此阶段各模型碰撞力变化基本是一致。

3) 撞深为(2.28～3.03]m，此阶段撞击船通过舷侧结构与被撞船内壳开始作用，被撞船内壳损伤变形进而挤压舱内液货，引起液货剧烈运动，液货运动反作用内壳，使得撞击船受到阻力增大，碰撞力迅速提高。由图7中可看知，此阶段液货黏度对碰撞力变化影响基本吻合。综上，在一般货油运输情况下，原油黏度对于碰撞力的影响很小。

3.3 吸能分析

被撞击船内能随撞深变化曲线见图8。从图8中可以看出：

1) 在碰撞前期，即撞深在约[0，0.88]m时，原油动能增长平缓，被撞船内能主要为被撞船舷侧结构变形吸能。此时舱内液货对被撞船内能基本不产生影响。

2) 撞深为(0.88～2.28]m时，撞击船撞穿外壳但未对内壳产生明显作用，此时被撞船内能主要由舷侧结构损伤吸能和舱内液货运动的动能组成。由于此阶段原油动能一致及结构损伤形式相似，此阶段各模型被撞船内能基本一致。

3) 在碰撞后期，被撞船内能明显增长，此时撞击船与被撞船内壳发生作用，撞击船的冲击能量主要为内壳变形及舱内液货吸收。由于液货黏度对碰撞过程中原油动能影响较小，此阶段各模型被撞船内能随撞深变化基本一致。因此，在此液货黏度范围内，液货黏度对被撞船内能影响很微弱。

5种黏度模型下被撞船外壳板内能随时间变化关系曲线见图9。从图9中可以看出：撞深在约0.88 m之前，撞击船撞击外壳板，外壳主要通过损伤变形吸收能量。在撞深约0.88 m后，撞击船撞穿外壳，外壳内能因外壳破损发生耗散。随着撞深增加，外壳朝撞击方向弯曲变形吸能，外壳内能逐渐增大。

各模型内壳板内能随撞深变化关系曲线见图10。从图10中可看出：在撞深约2.28 m前，撞击船未对内壳产生明显作用，内壳内能增长缓慢；随着撞深增加，内壳内能迅速增加，此时内壳内能主要为碰撞引起的内壳变形。

综上，在船舶碰撞过程中，被撞船内外壳板及船舶整体的吸能曲线在这5种模型下几乎重合，说明舱内液货黏度对船舶的吸能性能影响不大。

3.4 损伤变形分析

在船舶碰撞过程中，被撞船在撞击区域的构件会因为发生塑性变形而吸收能量，构件的吸能性能与其损伤变形紧密相关，而还直接的吸能性能构件关乎其抗撞击能力，这也是船舶碰撞性能研究重点之一。

碰撞后期内壳损伤变形见图11。由图11中可知，内壳均未发生破裂，且变形以膜拉伸为主，通过后处理软件LS-ProPost可观测到5种不同黏度下内壳变形基本一致，说明舱内液货黏度对内壳损伤变形的影响作用微弱。

在5种碰撞情形下被撞击船外壳损伤变形见图12。由图12中可知，外壳损伤均以膜拉伸为主，装载不同液货黏度油船发生碰撞时，其外壳变形区域及程度几乎一致，故液货黏度对外壳损伤变形的影响很小。

4 结束语

本文以双壳油船为研究对象，利用ANSYS/LS-DYNA对比分析装载不同黏度液货下双壳油船舷侧结构碰撞性能，分析结果表明：在原油运输过程中，液货黏度对碰撞过程中液货响应、碰撞力变化、结构吸能和损伤变形等参数的影响很小。因此，研究载货油船碰撞问题时可不用考虑原油黏度带来的影响。