碰撞分析技術在鋪管船安全性能評估中的應用

杜之富，李 磊，韓華偉，張譚龍，楊永輝

(煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺264000)

海洋工程鋪管船在復雜的海洋環境中工作，除了承受正常的工作載荷和風、浪、流等環境載荷外，還可能承受由船舶碰撞、墜落物體、爆炸和火災等所引起的偶然荷載。隨著船舶建造噸位不斷增加，船舶航行速度也不斷提高，船舶碰撞事故發生的概率也不斷增大。

船舶碰撞具有顯著的動力特性。在這一過程中船體結構遭受巨大沖擊載荷作用，被碰撞區域構件一般都會迅速超越彈性階段而進入塑性變形階段，進而可能引起船體結構或構件破裂、屈曲等各種形式的破壞或失效。針對船舶碰撞問題的研究，目前主要有［1］簡化解析法、試驗測試研究和有限元分析方法。其中，簡化解析法具有應用簡便、計算快速等特點，但碰撞事故數據的采集比較困難，致使理論上處理過于簡化，結果的準確性偏離實際較多;試驗測試研究是一種比較可靠的方法，也可以得到比較精確的結果，但碰撞試驗的費用非常昂貴且具體實施也比較困難。隨著計算機硬件技術的發展，特別是非線性有限元技術的日益進步和成熟，顯式有限元數值仿真技術在碰撞問題的研究中逐漸受到青睞。因此，本文應用顯式有限元法對船舶碰撞過程進行模擬分析。

1 碰撞分析的基本理論

碰撞是一個動態過程，運動方程表述為［2］

式中:M——質量矩陣;

C——阻尼矩陣;

K——剛度矩陣;

¨u——加速度向量;

˙u——速度向量;

u——位移向量;

F——包括碰撞沖擊力在內的外部力向量。

若設I=C˙u+Ku，則式(1)可變為

如果采用集中質量，即質量矩陣M變成對角矩陣，則各個自由度的方程將是相互獨立的，即

ABAQUS/Explicit應用中心差分法對運動方程進行時間積分，由一個增量步的動力學條件計算下一個增量步的動力學條件。在增量步開始時，程序求解動力學平衡方程，即式(3)，則可得

然后對時間進行積分可得速度˙ui，再對時間進行積分可得位移ui，中心差分法的顯式形式為

2 有限元模型

2.1 被碰船的碰撞區域

在海洋中行駛的船舶發生碰撞時，碰撞區域可能是船體上任何一個部位，如船側、船舯、船艉等。基于本文鋪管船的船體結構特點:船舯部分設置為放管艙，且艙容比較大，艙壁是單層結構，一旦此處被碰撞破損，將會對整船帶來災難性后果，因此，本文選擇船舯部分作為分析對象。碰撞區域選擇在碰撞船船艏能接觸到的、艙壁上型材規格相對比較小且型材間距比較大的區域。

2.2 碰撞船有限元模型

為了減少建模工作量和計算工作量，對碰撞船進行簡化，只用船艏的部分外殼來代替，但簡化后的船艏的分段的質量與整船的質量相等，簡化后的碰撞船模型見圖1，碰撞船的主要參數列于表1。

圖1 碰撞船的有限元模型

表1 碰撞船的主要參數

本文主要研究對象為被碰船的舷側結構，與被碰船的舷側結構的剛度相比，碰撞船的船艏的剛度一般遠遠大于其剛度，所以碰撞船的船艏被假設為剛體，碰撞船船艏的材料定義為剛性材料［3-5］。

2.3 被碰船有限元模型

碰撞基本不會對整船的完整性有大的損壞，主要對局部的結構造成破壞，表現為明顯的局部沖擊損傷。因此，在建立船體模型時，只是創建被碰船的船舯區域的結構模型，見圖2。船舯區域以外的區域簡化為一根梁，梁的重量和重心位置與原船體結構保持一致。梁的端部與建立的船體模型間通過ABAQUS軟件提供的Tie連接功能進行連接，使得梁端與所建模型相關單元共有自由度。在建立模型時，所有的甲板、艙壁、碰撞區域的T型材和球扁鋼、非碰撞區域的T型材應用殼單元來模擬，非碰撞區域的球扁鋼等型材均用梁單元代替，這樣可以減少建模的工作量和節省計算時間。鋪管船的主要參數見表2。

圖2 被碰船的有限元模型

表2 被碰船的主要參數

有限元分析結果的精度與網格大小有關，一般而言，網格劃分越密，分析結果就越接近真實情況。但是網格劃分的太密，就意味著單元數目也會很多，這將會增加計算的時間和儲存的空間。鑒于上述原因，碰撞區域的網格劃分較細，非碰撞區域的網格劃分較粗。

2.4 材料模型

碰撞過程中，船體所用鋼材迅速超越彈性階段進入塑性階段，且塑性變形達到一定值后，鋼材會斷裂。鑒于上述原因，在進行碰撞有限元分析時，鋼材的塑性性質必須考慮。在碰撞沖擊荷載作用下，鋼材的力學性能與靜態荷載作用下相比有明顯不同，主要表現為鋼材的屈服應力有顯著提高，瞬時應力也隨應變率的提高而提高，進而屈服也表現出滯后，也就是說船用鋼材對應變率的敏感性非常高，其屈服應力和拉伸極限強度隨應變率的增減而增減，因此在分析中，應變率對船用鋼材的材料性質的影響也予以考慮。分析中選擇了Cowper-Symonds本構方程［6］

式中:σy——動態屈服應力;

σ0——初始靜態屈服應力，355 N/mm2;

˙ε——塑性應變率;

C，P——Cowper-Symonds應變率系數，對一般鋼材而言，C為40.4，P為5.0。

材料的失效非常復雜，本文通過最大塑性失效應變來定義材料的失效，即當單元的等效塑性應變達到定義的失效應變時單元失效，失效后的單元將不再參與后面的計算。

2.5 邊界條件和接觸定義

船舶碰撞是局部的，邊界條件對分析結果的影響較小，因此，分析模型的邊界為固支邊界。

接觸定義是船舶碰撞問題的求解的關鍵所在，不同結構界面的碰撞接觸和相對滑動處理的好壞直接影響到計算結果的準確性，因此，必須選擇比較合理的接觸算法。ABAQUS提供了一般性接觸、面面接觸、自接觸等接觸定義方法。本文對船舶碰撞分析時，采用一般性接觸，由程序自動尋找相應的接觸對。

3 碰撞參數

3.1 碰撞情景確定

應用計算機進行有限元數值分析時，必須把一個非常復雜的、影響因素比較多的船舶碰撞問題處理為一個確定的、具體的問題，使其得以實現，稱之為碰撞情景。文獻［7-8］對船舶在不同角度和不同位置碰撞情景下動能損失的討論結果表明，動能損失最大值一般都出現在船舯附近碰撞情景。因此，本文分析時所采用的船舶碰撞情景是碰撞船以90°角撞擊被碰船舷側中部時的情景，見圖3。

圖3 碰撞情景

3.2 附連水質量

船舶碰撞需要考慮船體周圍水的影響。一般采用附連水質量法來反映船體與流體之間的相互作用，可以提高計算效率，節約大量流固耦合計算時間。為了簡單起見，本文采用Minorsky［9］提出的橫漂運動的船體附連水質量。

式中:m——船體的質量。

簡化梁的船體結構的附連水質量折算為梁的密度加以考慮。

3.3 碰撞速度

假定碰撞發生時被碰船是靜止的。碰撞船的重量為9 000 t。碰撞船以0.5 kn的初速度進行勻速撞向被碰船，并逐級加大碰撞船撞向被碰船的初速度，直到被碰船舷側結構出現破裂為止。本文被碰船舷側結構破裂時對應的碰撞船的碰撞速度為6 kn。

4 碰撞計算結果與分析

4.1 被碰船碰撞區域結構損傷變形

圖4顯示出結構的損傷變形主要集中在碰撞區域，此區域結構變形比較大，發生比較大的塑性變形，舷側的外板已經破裂;而遠離碰撞區域的結構變形相對較小，表現為彈性變形。從圖4中可見，此區域的型材也發生比較大的塑性變形，出現了屈曲、壓潰，甚至斷裂破壞現象。

圖4 結構損傷變形

4.2 應力和應變

圖5 是被碰船在不同時刻的瞬時應力圖。

圖5 被碰船的船體結構的應力圖

碰撞區域的結構鋼材的屈服應力已經超過了鋼材的靜力屈服應力355 N/mm2，表明此區域的材料已經進入了塑性狀態。圖5e)呈現出舷側的外板及加強的型材已經被撞斷裂或嚴重屈曲。

從圖中得到最大應力值為631.0 N/mm2，則有631.0/355=1.78，也就是說動力屈服應力是靜力屈服應力的1.78倍，這可以看出動力屈服應力比靜力屈服應力要高很多。

圖6為被碰船船體結構的應變圖。

圖6 結構的應變圖(t=0.35s)

由圖6可見，碰撞區域的單元最大等效應變已經達到最大失效應變，單元失效，其不再受力及不再參與下面的計算。失效單元已經隱去，舷側板及其內的型材上出現破裂。碰撞造成的破壞主要集中在碰撞區域，對此區域以外的結構造成的影響非常小，這就驗證了碰撞表現為局部損傷。

5 結論

1)鋪管船的碰撞引起的損傷變形呈現局部性，碰撞區域表現為塑性變形，其它區域為彈性變形，損傷變形的程度主要由碰撞船的碰撞初始速度以及碰撞船船艏的形狀決定。

2)動力屈服應力是靜力屈服應力的1.78倍，可以看出動力屈服應力比靜力屈服應力要高很多。

3)得到了船體結構出現破裂時對應的碰撞船的碰撞速度，為船舶靠近作業時提供一個參考的船舶速度的最大速度，以便減輕碰撞發生時對船體結構造成的破壞程度。

［1］李 陽.半潛式海洋平臺碰撞響應數值仿真研究［D］.大連:大連理工大學，2009.

［2］ABAQUS.Analysis User’s Manual［R］.Version 6.8，Copyright 2008 ABAQUS，Inc.

［3］梅志遠，李 卓.單雙殼體典型結構耐撞特性模型試驗研究及仿真分析［J］.船舶力學，2011，15(11):248-1254.

［4］CHO SANG-RAI，LEE HYUN-SEUNG.Experimental and analytical investigations on the response of stiffened plates subjected to lateral collisions［J］.Marine Structures，2009，22(1):84-95.

［5］劉元丹，劉敬喜.雙殼船內殼和外殼結構耐撞性能的分析和比較［J］.中國造船，2012，53(3):121-128.

［6］王自力，顧永寧.應變率敏感性對船體型結構碰撞性能的影響［J］.上海交通大學學報，2000，34(12):1704-1707.

［7］馬 駿，陶 亮.初速度對被撞船舷側結構影響［J］.大連理工大學學報，2008，78(1):90-94.

［8］ZHAGN S M.The mechanics of ship collision［D］.Denmark:echnical University of Denmark，1999.

［9］王自力，蔣志勇.船舶碰撞數值仿真的附加質量模型［J］.爆炸與沖擊，2002，22(4):321-326.