船舶碰撞损伤影响因素研究综述

朱跃鹏 周利坤 龚方圆 焦玉萍

（武警后勤学院 后勤保障系 天津 300309）

0 引 言

船舶碰撞是船体结构在极短时间内受到巨大冲击作用的一种非线性动态响应过程，具有结构复杂、持续时间短且冲击载荷大等特点[1]。碰撞可能会导致人员伤亡、爆炸及溢油等严重后果。因此，开展船舶碰撞损伤研究对增加船舶航行的安全性以及保护水面环境具有积极意义。

船舶碰撞按碰撞区域可分为近海和远海碰撞，其区别主要体现在被撞物体距离海岸的远近。近海主要有：小型船舶之间的碰撞、船舶的搁浅与触礁，以及船舶与桥墩或者船舶与码头的碰撞。远海主要有：大型船舶间的碰撞、船舶与海上平台结构以及船舶与冰的碰撞。

两船舶之间的碰撞是多维度的复杂问题，受到诸多因素影响，诸如船首刚度和形状、舷侧结构、运动状态、相对吨位、撞击位置、撞击区间、货物载荷以及外部环境等。本文从撞击船的船首、船结构和两船的相对运动状态这3 个方面进行综述，阐述船舶碰撞的主要损伤因素及其研究现状，并对船舶碰撞损伤将来的研究方向提出展望。

1 船舶碰撞损伤国内外研究现状

1.1 国外研究现状

1.1.1 撞击船的首部形状和刚度

德国WOISIN[2]开展大规模碰撞试验，采用1∶12和1∶7.5 这2 种模型比例，共进行12 次高速船舶碰撞试验，探究船首形状（图1 为前倾型和球鼻型船首）对船舶耐撞性的影响。试验结果表明：船首形状对碰撞结果影响很大，表现在舷侧损伤形状、接触面引起的局部碰撞力的大小和碰撞效果上，其中球鼻型船首的碰撞损伤相对较大。

图1 前倾型和球鼻型船首的有限元模型

日本ITO 等[3]进行了5 组静力试验，将船首视为刚性模型，研究前倾型船首和球鼻型船首撞击双壳舷侧产生的结构损伤差异。结果显示：船首形状对双壳船结构损伤产生直接影响，并且主要体现在撞击深度和碰撞形状上。

韩国PAIK 等[4]利用有限元法对影响大型油船船舷耐撞性的多个因素进行模拟分析。结果显示：碰撞过程中，结构吸收能量与撞入船首的体积成线性递增关系；撞入船首的体积越大，碰撞造成的相对损伤越小。

瑞典HOGSTRÖM 等[5]在全面探讨影响碰撞的因素中提出：船首的形状对碰撞损伤的产生结果影响最大；“刚性船首”的假设既不够细致，也达不到深入研究的标准，实际碰撞场景分析应该针对非刚性船首。

挪威HARIS 等[6]将船首进行刚性处理，讨论球鼻型船首的曲率对船舷撞击阻力的影响。分析得出：碰撞初始时阻力相似，而后差异逐步明显，曲率大的球鼻型船首对外壳的破裂深度几乎是曲率小的船首的2 倍。

船首和舷侧结构的刚度相差很大，但为简化计算，往往将船首简化成刚性并视为不发生塑性形变。然而，随着研究深入，学者们提出船首刚度对损伤的影响不可忽视。

挪威HARIS 等[7]使用LS-DYNA 软件对船舶碰撞的近似模拟情况进行分析，对比分析了非刚性船首和刚性船首的能量吸收情况。得出结论：非刚性船首在碰撞中吸收了约13%的能量，有效降低了碰撞损伤。

韩国KO 等[8]提出：虽然撞击船的首部结构较被撞击船的舷侧结构硬度大很多，但碰撞过程中也会吸收能量。使用有限元法模拟双壳油轮碰撞（如图2 所示），结合碰撞角度和速度，可寻求非刚性船首在碰撞过程中的耗散能量贡献。得出结论：刚性船首比非刚性船首具有更强穿透力，且随着两船相对速度的增加，影响越明显。

图2 双壳油轮非刚性船首有限元模型

马来西亚ABUBAKAR 等[9]考虑到船首非刚性对碰撞结果产生的影响，将船首刚度作为新的简化分析参数进行船舶碰撞速度和角度损坏预测，建立完整的船舶有限元模型研究碰撞期间的结构响应，根据计算结果推导出最大应力简化解析公式。得出结论：船首刚度系数R与最大撞击力成正比，即船首越坚固，造成损伤的后果越严重。

1.1.2 被撞船的舷侧结构

韩国PAIK 等[4]考虑因碰撞情况不同产生的屈服、压碎和撕裂过程差异，并对船舶碰撞舷侧结构损伤进行研究。舷侧结构损坏过程为横梁和纵桁首先被压碎，随后外壳板破裂，内壳板进入膜张力状态，直至破裂。结论为：内外板之间的距离对于损伤有较大影响，内壳相较于外壳强度对损伤的影响更大。

挪威HARIS 等[7]分析舷侧结构在碰撞中，各部件吸收能量的能力。得出结论：主梁和外壳吸收能量较多，且外壳在某一撞深处吸收能量呈二次增长,这是外壳加筋板上的作用结果，内壳能量吸收很小。

瑞典HOGSTRÖM 等[10]改进双壳船结构，从提高碰撞深度和强度角度出发，分别选取波纹结构、X 芯结构和Y 芯结构同双壳船现有结构耐撞性能比较（如图3 所示）。分析得出：X 芯结构自身重且成本高，但吸收能量和撞击深度表现较好，具有较好的整体碰撞性能。

图3 双壳船不同结构耐撞性能比较

韩国PRABOWO 等[11-12]对双壳客船的结构进行了碰撞研究，选取单壳和双壳结构船舶进行碰撞性能分析并且比较2 种不同的双壳船尺寸对碰撞损伤的影响。研究得出：双壳较单壳结构能量吸收多，其中纵板加强结构贡献较多。内壳结构对船舶抗撞性能有较大提高，内外壳之间的距离越小，对船体结构损伤越明显。可见，从安全性角度出发，双壳船结构较为安全。

1.1.3 两船的相对运动状态

MINORSKY[13]就碰撞船舶航行速度对碰撞损伤的影响进行模拟分析，航行速度设定为16 kn 或10 kn，分析指出被撞船速度为16 kn 时，受损区域面积增长33%，但损伤深度较小。

韩国PAIK 等[4]在研究船舶碰撞舷侧结构损伤时发现，碰撞速度对船体结构吸收能量的大小影响较小，但速度增加会产生更多的碰撞能量，导致更大的碰撞损伤。

日本KITAMURA[14]对分析船舶碰撞中的不确定性因素进行有限元分析验证，指出：当被撞船在舷侧结构中没有纵向和主要横向结构时，被撞船的前进速度对船舷损伤和撞击船首有较大影响。

芬兰TABRI 等[15]开展了船与固定物之间的碰撞船舶模拟实验，用聚酯氨泡沫和冲击球模拟船舷遭遇球鼻型船首撞击，探究两船质量比和相对速度对损伤的影响。分析指出：两船质量比是主要影响因素，影响途径是碰撞总能量；相对速度是次要影响因素，影响途径是结构崩溃形式。

瑞典HOGSTRÖM 等[5]在全面探讨影响碰撞的因素中提出：撞击船的速度对碰撞结果产生重大影响，决定着结构吸收的动能量，碰撞角的分析应当针对不同的船体结构进行。

韩国PRABOWO 等[16-19]多次讨论碰撞参数在船舶碰撞损伤中的影响，以碰撞角度和速度为变量（参见图4），分析各甲板的吸收能量、撕裂长度和变形程度。得出结论：撞击角度对船舶损伤有重要影响，主要体现在能量大小和分配上。90°碰撞时产生的能量最大，但用于破坏结构能量最小，主要转换为内能。速度对碰撞平均能量产生倍数影响，对船体耐撞性有显著影响。

图4 碰撞相对运动状态示意图

马来西亚ABUBAKAR 等[9]模拟研究碰撞角度和速度对船舶碰撞对结构损伤的影响，结果显示：在0° ~ 90°范围内，碰撞角度越大，冲击力越高；超过60°时，角度对冲击力影响逐步变小。较高的速度会导致更严重的危害，速度是碰撞损伤最主要的原因。

1.2 国内研究现状

1.2.1 撞击船的首部形状和刚度

刘敬喜等[20]对船首刚度影响船体损伤进行模拟研究，研究结论为：船首刚度对损伤有较大影响，这是由于舷侧结构损伤形式以及撞击力大小和卸载形式、撞击深度变化引起的。

胡宗文等[21]建立碰撞模型，通过改变球鼻型船首材料参数，研究刚度对舷侧结构碰撞性能的影响，得出结论：非刚性船首能够吸收碰撞总能量的20%，对减小损伤有积极作用；但若船首和船侧刚度相差超过一定范围，则对碰撞性能影响不明显。

刘昆等[22]深入研究船首形状对被撞船舷侧损伤的影响，对不同曲率的球鼻型船首和不同张角的前倾型船首（如图5 所示）撞击舷侧结构进行有限元数值模拟，分析了船侧结构的撞击力、撞击形状、撞击深度和能量大小等，得出结论：船首形状对撞击损伤有重要影响，球鼻型船首曲率越大或常规船首张角越小，碰撞损伤越大。

图5 张角不同的前倾型船首有限元模型

刘伟光等[23]探讨不同形状的船首在撞击单舷结构时的断裂和吸能机理，用锥形和楔形压头模拟前倾型船首和球鼻型船首撞击小型单舷侧船结构加筋板。实验结果表明：单舷船舶结构在2 个不同形状压头冲击下的耐撞性有显著差别，在锥形压头压痕下吸收更多能量，具有更强的抗碰撞能力。

刘斌等[24]研究非刚性船首对双壳船结构碰撞力的影响。研究得出：刚性船首和非刚性船首吸收的总能量大小相近，这是由于船首的变形程度小，能量吸收主要是被撞船舶的塑性变形和破裂。

1.2.2 被撞船的舷侧结构

王自力等[25]通过对集装箱船舶双层结构在刚性船首碰撞下的损伤过程进行非线性动态分析，探讨了舷侧结构各个组件的吸能特性和损伤特点。分析得出：舷侧结构变形能是最主要的动能转化，结构损伤以局部变形为主，主要吸能构件是外板和舷侧肋板。

肖桃云等[26]对2 艘化学品船在能量损失最大情况下的碰撞响应进行有限元数值仿真，研究舷侧的碰撞损伤，分析舷侧能量损失和各构件的吸能贡献。研究结论：碰撞损失的动能大多数转换为两船的内能，船首和舷侧吸能比约为3∶7，外板是吸能贡献最大的构件。

崔濛等[27]开展帽型加筋结构的失效模式和吸能大小试验研究，主要研究加筋结构的吸能大小。研究表明：帽型加筋板较光板吸能力显著增加，能明显提升船舷的耐撞性。

彭正梁等[28]研究碰撞时舷侧结构的主要吸能构件的响应特点，开展落锤冲击舷侧结构冲击实验校准有限元模型。研究表明：损伤集中在碰撞位置，间接接触区域为整体弯曲变形，增加外板厚度可显著提高耐撞性能。不过，从结构轻量化角度出发,加大外板骨材尺寸或减小间距结构更为合理。

姚鹏[29]通过改变SPS 板结构的上下面板和芯层尺寸提高SPS 板结构的耐撞性能，对改进后的SPS舷侧结构（如图6 所示）进行碰撞仿真，对比分析变形损伤、撞击力和结构吸能，所得结论为：原结构和SPS 结构碰撞力曲线变化趋势基本一致，但SPS碰撞力峰值高、吸能力更强，碰撞性能约提升13%。

图6 SPS 夹层结构试件

1.2.3 两船的相对运动状态

王自力等[30]指出，以往所研究的碰撞条件固定且具有局限性，撞击角度与速度的改变会导致不同的损伤结果，研究结果：撞击角度对平均碰撞力影响不大，但对最大碰撞力有较大影响，在90°时最大碰撞力达到峰值。

张季平等[31]建立单舷结构与刚性球碰撞模型，模拟内河船舶的抗撞性能，主要探讨了速度对损伤程度的影响。得出结论：速度增大，碰撞力也会增大，船侧结构局部失效，从而发生局部损伤。

刘昆等[32]建立全耦合技术船舶碰撞模型，以外板破裂为临界条件，对不同撞击角度下的船舶极限撞击速度进行研究，并描绘出角度、速度的极限速度曲线，作为安全角度和速度的分界线撞击。随着角度的增大，船舶极限撞击速度明显降低。角度为15° ~ 50°时，对极限撞击速度的影响很大，呈急速下降；50° ~ 90°时，影响较小。

王泽平等[33]针对船舶碰撞更为普遍的斜碰撞情形，研究角度对结构损伤的影响，碰撞角度设置为30°、45°和60°。在此3 种情况下，被撞船撞击深度相同时，对应的阻力基本一致，但最大撞击深度成正比增加。

詹蓉等[34]根据船舶的临界撞击速度公式，结合数值仿真量化评估船首和机舱在直角撞击时（如图7 所示），撞击船吨位的临界速度曲线，划定船舶在内河航行时排水量和撞击速度的安全区间。随着撞击船排水量的提高，极限撞击速度减小，影响程度逐步减小。

图7 船舶撞击首部示意图

1.3 碰撞影响因素研究结论

根据众多学者对船舶碰撞的多年研究，总结如下：撞击船的船首、被撞船的舷侧结构以及两船的相对运动状态都会影响船舶碰撞损伤，而且3 种因素之间也会互相影响。

1.3.1 3 种因素对碰撞损伤的影响

撞击船的首部对船舶碰撞损伤影响主要体现在2 个方面：一是船首形状，二是船首刚度。撞击船的首部形状差异会导致舷侧吸收能量的着力点不同，使被撞船舷侧形成不同的破裂形状；在船舶碰撞中，船首是主动作用方，较被撞船舷侧刚度差距大，但在船舶实际碰撞过程中，船首产生的变形也会吸收部分动能。

被撞船舷侧结构变形消耗约80%冲击能量，是最主要的能量耗散方式。结构损伤集中在碰撞区域，间接接触区域为整体弯曲。舷侧结构破坏顺序是:横梁和纵桁首先被压碎，此时船首刚性减小；随后外壳板破裂，船首刚性增加，内壳板进入膜张力状态，直至破裂。外壳板是最主要的吸能构件，吸收约50%能量；其次是舷侧肋板，吸收约20%。

两船相对运动状态决定碰撞产生的总能量和耗散去向。撞击船直接决定冲击能量的大小和速度，是损伤的最主要原因，被撞船速度会影响撞击深度和损伤面积。两船的碰撞角度决定动能用于破坏结构能量大小和船首、船舷的能量分配。

1.3.2 3 种因素的相互影响

船首形状决定被撞舷侧结构损伤形态。舷侧破坏集中在船首碰撞区域，间接接触区域为整体弯曲。

撞击船速度影响舷侧结构响应。碰撞速度使材料应变速率增大，导致构件的屈服应力和抗压强度增大，而临界断裂应变减小。

被撞船速度导致船首发生弯曲。当撞击船为球鼻型船首时，球鼻型船首前侧单位接触面积的抗压强度较大，而根部弯曲能力有限，从而引起船首弯曲。

2 减少船舶碰撞损伤对策

分析船舶碰撞损伤影响因素问题，主要目的是为了掌握船舶碰撞过程中的碰撞损伤机理及能量耗散方式，在此基础上最大程度减少船舶碰撞造成的严重后果。主要有以下3 种途径：一是优化船首结构设计；二是增强舷侧结构强度；三是驾驶船舶应急操纵。

2.1 优化船首结构设计

优化船首结构设计，以确保结构在能够承受常规载荷的前提下适当减小纵向刚度,使其在撞击时造成的损伤后果减小。

目前，优化船首结构设计主要方案是缓冲船首，但仍处于起步阶段。缓冲船首概念最早由船舶工业改进协会（association for structural improvement of the shipbuilding industry, ASIS）提出，并在20 世纪90 年代将缓冲船首结构原型的初步设计运用于大型货轮。日本的ENDO 等[35]、KITAMURA[36]曾先后强调了缓冲船首的重要性，相关社团也在2001—2005 年研究缓冲船首结构设计，但研究成果尚未公布。

SEA-Arrow（简称SA）船首应用了缓冲船首横向加强结构的理念，具有较低的纵向刚度。日本YAGI 等[37]分析了SA 船首与普通球鼻型船首的吸能力，得出结论：SA 船首吸能力较强。原因是SA船首无凸起部分，接触面积较大，内部结构发生塑性变形。

江华涛等[38-40]对缓冲船首结构进行初步概念探讨，得出以下结论：在满足其他条件后，从减少碰撞损伤角度出发，球鼻型船首曲率越小或前倾型船首张角越大，碰撞缓冲效果越明显。横向框架结构使球鼻型船首在碰撞中吸收更多能量。 高强度钢材料可减少板厚，增大压溃程度，减少被撞船侧损伤。

李松[41]提出棱柱形缓冲船首（如图8 所示），并通过有限元数值仿真验证其有效性。模拟分析得出：棱柱形缓冲船首能承受更多的接触力、吸收更大的碰撞能量，可有效减轻碰撞损伤。

图8 棱柱形缓冲船首结构图

缓冲船首是从保护环境的全局意识及减小被撞船舷侧损伤角度提出的，设计思想是增加船首的吸能力以减少被撞船舷侧的能量吸收，且船首较船侧的压溃强度小，优化途径主要从船首外壳形状、材料和改变内部结构形式出发。

该方案优点主要有：

（1） 碰撞中，船首吸收较多能量，船首相对坚固，降低了整体碰撞的损失；

（2）优化船首结构所需材料少、成本低；

（3）改变船首形状对船的总纵弯矩影响较小，不需要重新进行应力分析和整体尺寸设计。

然而，该方案缺点也较为明显：

（1）降低船首的压溃强度和纵向刚度导致船与刚度较大的物体（如桥梁、暗礁和冰等）发生碰撞时，船首更容易破损；

（2）改变船首形状会降低船的航行速度；

（3）船在海面航行时，船首对海浪的抗击性能减小，船舶的使用周期缩短，维护要求更高。

2.2 增强舷侧结构强度

通过增强舷侧结构强度来提高船体的耐撞性能，从而减小结构的损伤程度。新型结构形式是改善舷侧结构强度的主要手段。

提出以减少船舶碰撞损伤为目的的新型结构设计理念的是韩国PAIK 等[42]。其指出船舶结构安全性和船舶碰撞损伤密切相关，并认为Y 型舷侧结构有较好的应用能力。丹麦LUDOLPHY[43]针对Y 型结构提出1 种加强筋，使耐撞性能有了显著提高。韩国LEE 等[44]提出2 种NOAHS 和NOAHS II耐撞性结构，其基本思路是改变传统双层舷侧结构连接内外板结构，其中NOAHS II 使用圆管结构连接。美国BROWN[45]改变水平桁和肋骨的数目、尺寸以提高舷侧结构强度。德国LEHMANN 等[46]检验装有奥式体钢结构双壳体船的碰撞性能，认为奥式体钢结构增强了耐撞性能。

王自力等提出以夹层板代替传统外板和强衍材，改变夹层板的内部结构排列顺序，设计出蜂窝式和折叠式夹层板[47]。其还提出，可通过在单层舷侧填充泡沫塑料薄壁方管来提高结构耐撞性能；并将纵骨延长至内板，使内外板间形成支撑，得到IFP 结构，研究得出新型舷侧结构比普通舷侧结构耐撞性能更好。[48]

蔺晓红等[49]改变舷侧纵桁，提出帽型、菱形和半圆管形这3 种舷侧结构，并进行数值仿真分析，分析得出半圆管式纵桁结构有较好的耐撞性。

李慧等[50]对圆管式夹层板结构（如图9 所示）进行尺寸优化，控制船体质量的增加，为新型结构设计提供了参考。

图9 圆管式夹层板结构

减少碰撞损伤的新型结构形式设计主要有以下3 种途径：改进船舶舷侧构件的几何尺寸；在船体结构中填充材料以增大吸能；改变船舶的结构形式，设计出耐撞性能更佳的结构。

该方案主要优点：

（1）增强了船体对海浪的抗击性能，使用周期延长；

（2）船体对于暗礁、浮冰、固定平台等碰撞事故的抵抗性能增强；

（3）对船整体航行速度影响较小。

主要缺点：

（1）改变船体结构或增加填充材料会增加船舶本身的质量，增加航行中的能量消耗；

（2）需要重新对船的总纵弯矩和整体强度进行测试，增加了设计成本；

（3）优化船体结构需要较多材料，增加了制造成本。

2.3 驾驶船舶应急操作

通过应急操纵等操作避开最危险的碰撞区域，并改变船舶碰撞态势，从而减小碰撞损伤。

黄颖等[51]基于碰撞位置和角度，提出碰撞能量损失二维权指表，为应急操作提供理论决策依据。

刘亚斌[52]以损失能量为基础，考虑撞击位置和撞击速度的损失权重作为船舶能量损失评价标准，对不可避免碰撞下的应急操纵提供指导。

李慧等[53]对船舶碰撞事故进行仿真分析，研究船舶碰撞参数对碰撞损伤的影响，并界定碰撞损伤临界速度和角度。

当前对于降低碰撞损伤的应急操作往往停留于理论研究，缺乏详尽系统的研究。

3 船舶碰撞损伤研究展望

（1）协调缓冲船首刚度与变形度之间的关系。通过对缓冲船首结构进一步研究，完善船首形状、纵向刚度以及内部结构之间的最优组合，从而建立国际标准的缓冲球船首的设计标准。

（2）协调提高船舶耐撞性能和船体结构质量增加之间的矛盾关系。新型结构设计，既要满足耐撞性的提高，又不能大幅增加结构本身质量。复合材料质量轻、机械性能好，可根据产品需要调整材料本身特点，新型材料在减小船舶损伤方面有巨大的应用前景。

（3）协调应急操作与舵手能力不足的关系。不可避免碰撞下，往往会导致人身心紧张，操作更容易出现失误。通过将自动识别系统、大数据、人工智能/机器学习的相关理论进行有效结合,开发船舶智能避碰系统，可最大程度减少船舶碰撞损伤。