大型液货船舷侧结构耐撞性分析.pdf

投稿网站：机械与重工IM 2023年增刊 87大型液货船舷侧结构耐撞性分析张金军（江苏航运职业技术学院船舶与海洋工程学院，江苏 南通 226010）摘要：船舶碰撞是造成船舶结构损坏的一项重要因素。船舶碰撞、搁浅和接触等是造成船舶事故的主要原因。外部动力学分析了船舶在碰撞结束时所吸收的总变形能量，而内部力学则评估了这种变形能量与船体结构损伤程度之间的关系。评估内部力学，经验公式，简化的分析方法和有限的单元模拟已被提出。尽管通过一些简化方法取得了很好的一致性，但有限元方法是预测材料失效，最大变形或最大载荷的首选设计工具。关键词：碰撞；内部机理；有限元；能量吸收1引言针对事故的设计标准用于评估碰撞事件期间船舶结构的抗力。已经进行了各种船舶碰撞模拟以评估结构的塑性变形和破坏劈裂。但是，没有具体的标准或准则来进行这种模拟。在设计过程中，关键问题是准确预测船舶碰撞的外部动力学和内部力学，一般独立处理（分离）。外部动力学应考虑船舶与周围水体之间相互作用的主要流体力。Minorsky1提出了一种外部动力学的理论方法来估计破碎释放能量与船舶初始动能之间的关系，这种关系仅限于中部和垂直碰撞情景。为了克服这种限制，Petersen2进行了第一次能够处理沿船长任意位置的二维倾斜碰撞的时域模拟。为实际设计目的，Pedersen 和Zhang 根据刚体力学导出了基于刚体力学的封闭解析解来估计在任意位置和角度对船体结构进行变形所释放的能量，这已通过 Petersen 的模拟验证。船舶碰撞分析需要的是一个相当粗糙的网格（纵骨之间可能有四到五个单元，大约是钢板厚度的十倍），以便在实际工程应用和可靠结果之间找到平衡点。已经提出了各种材料失效标准来估算作为网格尺寸函数的临界失效应变，但应力和应变仍难以准确预测3。1）液货船（被撞船）主要参数。船长 250m，船宽45.8m，型深 33.95m，吃水 11.5m，排水量为 105 000t，速度为 0m/s；强肋骨间距 3 340mm，腹板厚度 12mm，货舱长度 3 340mm15=50 100mm。该船的横剖面示意图如图 1 所示。图 1液货船横剖面示意图IM机械与重工88 2023年增刊2）集装箱船（撞击船）主要参数。船长 245m，船宽 32.2m，型深 19.3m，吃水 10m，排水量为 55 000t，速度为 2m/s；撞击球首可看成为刚性体。2碰撞结构的选取为了更好研究液货船的耐撞性，选取某一舱段进行碰撞分析。同时以某集装箱船首部球鼻首结构进行撞击液货船舷侧结构有限元模型4，如图 2、图 3 所示。图 2液货船舱段结构有限元模型图 3球鼻首有限元模型由于本文研究对象为船船碰撞，因此，碰撞计算过程中需要采用接触算法，船船直接发生碰撞接触的如船体外板接触定义为自适应主-从接触。液货船分析过程中，有限元模型的单元数和节点数多达 16 万个。通过对软件中拉格朗日和欧拉求解器了解与分析，确定相关参数的设定。假设船舶之间有 10mm的初始距离。撞击时间设定为 3.5s。同时还考虑附件水以及摩擦等因素的影响。通过改变碰撞速度研究液货船在撞击过程中的影响。方案 1 是船首以 1m/s 的初速度撞击液货船舷侧结构，如图 4 所示。方案 2 是船首以 2m/s 的初速度撞击液货船舷侧结构如图 5 所示。图 4方案 1（船首以 1m/s 撞击）图 5方案 2（船首以 2m/s 撞击）3碰撞速度影响下的碰撞分析3.1方案 11）损伤变形，如图 69 所示。图 6整体损伤云图图 7内部框架损伤变形图投稿网站：机械与重工IM 2023年增刊 89图 8舷侧外板损伤变形图图 9内壳板架损伤变形图（未发生失效）2）撞击船的速度及位移。本次仿真计算撞击船船首分别以 1m/s 和 2m/s 的初速度运动 3.5s。碰撞结束时内壳板未出现失效。当 t=1.65s 时，船首的速度降为 0.84m/s，位移量为 1.61m。3）碰撞力。内壳板未出现失效。在 t=1.65s 时，碰撞力达到 0.7107N；在 t=0.70s 时，外板失效碰撞力为0.9107N。4）能量吸收曲线如图 10 11 所示，各部件的吸能汇总见表 1。图 10船首动能变化曲线3.2方案 21）损伤变形如图 12 15 所示。图 11被撞击船内部能量吸收曲线表 1各构件的吸能汇总（t=1.65s）序号构件名称能量吸收/MJ所占比例（%）1舷侧外板30652舷侧纵骨1.62243内壳板0.124内壳纵骨0.125横框架0.5076总吸能6.62100图 12整体损伤云图图 13内部框架损伤变形图IM机械与重工90 2023年增刊图 14舷侧外板损伤变形图图 15内壳板架损伤变形图（t=1.65s）2）撞击船的速度及位移。本次仿真计算考虑撞击船的速度为 2m/s，总共运行计算时间为 3.5s。当 t=1.65s 时内壳板出现失效，此时该船的位移量达到 3.15m，最终撞击船的速度降为 1.73m/s。3）碰撞力。在 t=1.65s 时，内壳板出现失效，此时的碰撞力达到 2.6107N；在 t=0.38s 时，外板失效碰撞力为 1.0107N，如图 16 所示。图 16碰撞力-时间变化曲线4）能量吸收如图 17 18 所示，各部件的吸能汇总见表 2。图 17船首动能变化曲线图 18被撞击船内部能量吸收曲线表 2各构件的吸能汇总（t=1.65s）序号构件名称能量吸收/MJ所占比例（%）1舷侧外板9.05502舷侧纵骨3.38193内壳板1.84104内壳纵骨1.86105横框架1.90116总吸能18.031004结束语通过以上计算，可得方案 1 与方案 2 计算结果见表 3。表 3计算结果汇总（以内壳失效时间来计算）方案被撞击船舶速度/（m/s）撞击力/MN船艏碰撞位移/m撞击时间历程/s船艏动能耗能/MJ舷侧变形能/MJ1LNG171.611.6586.6222263.152518.03本节主要通过改变碰撞速度研究集装箱船与液货船舷侧结构之间碰撞性能。借助有限元软件得到相关仿真投稿网站：机械与重工IM 2023年增刊 91结果。1）速度与位移变化。方案 1：碰撞结束时内壳板未出现失效。在 t=1.65s 时，船首的速度降为 0.84m/s，位移量为 1.61m；方案 2：当集装箱船船首以 2 m/s 速度航行至 1.65s 时，液货船内壳板失效，此时液货船的航行速度为 1.73m/s，船舶航行的位移为 3.15m。2）从液货船碰撞损伤变形而言，不同碰撞速度影响下的被撞船损伤变形带有明显的局部性和非线性，损伤形状跟撞击船球鼻首有着直接的联系。3）能量变化。方案 1：碰撞结束时间 1.65s 时，撞击船（集装箱船）的动能的前后变化数值为 8MJ，而被撞船（液货船）结构的变形能为6.62MJ，吸能比例82%（被撞船的变形能/撞击船的动能变化），而一部分损失的能量主要转化为摩擦能、沙漏能等。通过对被撞船内部不同构件吸能的比较，可以得出舷侧外板吸收能量最大，其次是舷侧纵骨，他们分别占总能量的 65%和 24%。方案 2：碰撞结束时间 1.65s 时，撞击船（集装箱船）的动能的前后变化数值为 25MJ，而被撞船（液货船）结构的变形能为 18MJ，吸能比例 72%（被撞船的变形能/撞击船的动能变化），而一部分损失的能量主要转化为摩擦能、沙漏能等。通过对被撞船内部不同构件吸能的比较，可以得出舷侧外板吸收能量最大，其次是舷侧纵骨，他们分别占总能量的 50%和 19%。液货船舷侧结构的变形能为 18MJ，而在第 3 章通过外力机理得到的变形能为22.5MJ，两者误差在 20%。4）碰撞力变化。方案 1：碰撞结束时（t=1.65s），集 装 箱 船 与 液 货 船 舷 侧 结 构 之 间 最 大 碰 撞 力 达 到0.7107N。其中 t=0.70s 时，液货船舷侧外板失效，此时碰撞力为 0.9107N；方案 2：碰撞结束时（t=1.65s），集 装 箱 船 与 液 货 船 舷 侧 结 构 之 间 最 大 碰 撞 力 达 到2.6107N。其中 t=0.38s 时，液货船舷侧外板失效，此时碰撞力为 1.0107N。本章主要通过碰撞速度、碰撞位置及碰撞角度三个方面模拟集装箱船球鼻首结构与液货船舷侧结构之间的撞击过程。进而分析碰撞过程一些碰撞指标：损伤变形、撞击船和被撞船的速度和位移、碰撞力和能量吸收等。主要结论如下：1）当集装箱船以 1 m/s 速度航行，碰撞结束时液货船内壳板未出现失效。而 2 m/s 速度航行至 1.65s 时，内壳板失效，此时液货船的航行速度为 1.73m/s，船舶航行的位移为 3.15m。2）方案 1 碰撞结束时间 1.65s 时，撞击船（集装箱船）的动能的前后变化数值为 8MJ，而被撞船（液货船）结构的变形能为 6.62MJ，吸能比例 82%（被撞船的变形能/撞击船的动能变化），而一部分损失的能量主要转化为摩擦能、沙漏能等。通过对被撞船内部不同构件吸能的比较，可以得出舷侧外板吸收能量最大，其次是舷侧纵骨，他们分别占总能量的 65%和 24%。方案 2 碰撞结束时间1.65s 时，撞击船（集装箱船）的动能的前后变化数值为25MJ，而被撞船（液货船）结构的变形能为 18MJ，吸能比例 72%（被撞船的变形能/撞击船的动能变化），而一部分损失的能量主要转化为摩擦能、沙漏能等。通过对被撞船内部不同构件吸能的比较，可以得出舷侧外板吸收能量最大，其次是舷侧纵骨，他们分别占总能量的50%和 19%。3）方案 1：碰撞结束时（t=1.65s），集装箱船与液货船舷侧结构之间最大碰撞力达到 0.7107N。其中 t=0.70s 时，液货船舷侧外板失效，此时碰撞力为0.9107N；方案 2：碰撞结束时（t=1.65s），集装箱船与液货船舷侧结构之间最大碰撞力达到 2.6107N。其中 t=0.38s 时，液货船舷侧外板失效，此时碰撞力为1.0107N。参考文献1 ALDWICKLE D S，BROOKING M A，HART D KOPA 90/IMO legislation and the ship emergency response service SLloyds Register of Shipping，19952 PEDERSEN P T，ZHANG SAbsorbed energy in ship collisions and grounding-revising Minorskys empirical methodJJournal of Ship Research，2000，44(2)：140-1543 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，20004 王自力，朱学军，顾永宁船体结构耐撞性优化设计方法研究 J中国造船，2000(2)：36-42