補給作業船舷側碰撞損傷環境研究

趙 南，劉俊杰，李政杰，胡嘉駿（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫24082；2江蘇省綠色船舶技術重點實驗室，江蘇 無錫24082）

補給作業船舷側碰撞損傷環境研究

趙 南1，2，劉俊杰1，2，李政杰1，胡嘉駿1
（1中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫214082；2江蘇省綠色船舶技術重點實驗室，江蘇 無錫214082）

基于橫向補給作業中各個階段可能出現的舷側碰撞模式所確定的兩船碰撞發生時的夾角和補給作業船受撞位置，進行橫向補給作業船舷側碰撞損傷仿真研究。分析了補給作業船的吸能特性和碰撞過程中兩船的運動狀態，獲得了碰撞力、能量吸收和損傷變形的時序結果。該文的研究可對于開展補給作業船舷側碰撞結構損傷評估、舷側抗撞結構的優化設計提供指導。

補給作業船；橫向補給；舷側碰撞損傷；碰撞力；能量吸收

0 引 言

根據有關資料統計，在全球發生的海難事故中，有40%以上是由于碰撞引起的[1]。一旦發生碰撞事故，輕者會造成船舶的結構變形，重者可能造成船殼板破裂、艙室進水，導致物資流失、油料泄漏、海洋環境污染等，甚至會造成船體斷裂、沉沒，后果不堪設想。

在船舶碰撞研究領域中，其工作主要集中在對商用船舶的結構損傷特性分析和抗撞性能的評估上[2-5]，而補給作業船舶由于作業時要與接收船保持很近的間距，尤其是在航行補給過程中受到海洋環境影響或者人員操縱失誤時很容易發生船舶碰撞事故。目前，對于補給作業船舶碰撞問題的研究工作開展得很少。在各種補給方式中，由于航行橫向補給的作業效率最高，已成為海上補給采用的主要方式，但這種補給方式下也最容易發生船舶碰撞事故，對于補給作業船來說，碰撞往往會造成船體舷側部位的結構損傷，而損傷程度是由事故發生時的碰撞模式決定的。碰撞模式是由發生碰撞時兩船的船型、裝載狀態、運動姿態、航速和相對位置等因素決定的，只有對可能出現的碰撞模式進行碰撞分析，才能對補給作業船的抗撞特性做出合理的評估。

本文基于文獻[6]中所研究的橫向補給過程中的碰撞模式，應用非線性有限元動態響應分析程序MSC/DYTRAN對橫向補給作業船舷側結構的碰撞性能進行了深入研究，分析了補給作業船吸能特性以及碰撞過程中兩船的運動狀態，并獲得碰撞力、能量吸收和損傷變形的時序結果。本文的研究對橫向補給作業船的結構耐撞性優化設計具有重要的指導意義。

1 研究方法

1.1 仿真基本假設及處理方法

典型碰撞模式下有限元數值仿真模擬計算是基于以下假設及處理開展的：

（1）補給船（被撞船）舷側受撞時，主要是接收船（撞擊船）的船艏撞擊補給船的舷側，撞擊船船艏的結構剛度要大于被撞船舷側，因此假設接收船為剛體；

（2）由于碰撞時間較短，碰撞發生時兩船都采取了制動措施，即停止推進器的工作，因此忽略碰撞過程中推進器做功；

（3）碰撞過程時間較短，主要對撞擊區的結構造成損傷，離碰撞區較遠的船體結構變形較小，對碰撞區的舷側構件進行了較為精確的模擬并細化，而對非碰撞接觸區的構件則進行了一定簡化，采用粗網格模擬；

（4）考慮到相撞兩船周圍海水介質的影響，船體運動與海水介質之間會有流固耦合作用，以船體附加質量的形式來代替這種作用，橫蕩的附加質量系數取0.9，縱蕩的附加質量系數取0.04；

（5）采用主從面自適應接觸算法處理接收船與被撞船之間的接觸問題，從面定義在接收船上碰撞接觸區域，主面定義在被撞船上碰撞接觸區域，并且在被撞船接觸區構件上定義自身接觸。

1.2 材料的應變率敏感性

撞擊船和被撞船均采用殼單元進行模擬，由于碰撞引起的結構損傷變形主要集中在撞擊接觸區域，因此對該區域構件網格進行了細化，遠離接觸區域的結構采用粗網格進行模擬。由于船舶所使用的低碳鋼塑性性能對應變率高度敏感，因此，在材料模型中引入Cowper-Symonds本構方程來計算材料的動屈服應力：

式中：σε′是材料在塑性應變率ε˙時的動屈服應力，σ0是材料的靜屈服應力，D和q是與材料相關的常數，對于船用低碳鋼D取40.4，q取5[7]。

1.3 摩擦計算

碰撞發生時，兩船間的接觸面位置和區域、接觸力的大小和方向等都會隨著碰撞過程的進行而發生變化，本文采用MSC/Dytran的主—從面接觸算法模擬碰撞發生時兩船之間的接觸。對于滑動產生的接觸面間摩擦力，采用經典的庫倫摩擦定律近似計算：

式中：μs為靜摩擦系數，μk為動摩擦系數，β為指數衰減系數，ν為主從接觸面之間的相對滑動速度。對于兩船碰撞過程，靜摩擦系數μs取為0.15，動摩擦系數μk取為0.1，指數衰減系數β取為7.0。

2 碰撞有限元模型

本文采用MSC.Patran建立的撞擊船與被撞船有限元模型，整個模型采用面單元模擬，其中補給作業船有限元模型中面單元個數為81 548，接收船有限元模型中面單元個數為59 606，各個碰撞模式下碰撞區域有限元模型如圖1所示。

撞擊船采用剛性材料，被撞船結構材料為船用低碳鋼，材料采用線性強化彈塑性模型，材料密度為7.8×103kg/m3；彈性模量為2.1×1011Pa；硬化模量為1.18×109Pa；屈服應力為2.35×108Pa，泊松比為0.3。

圖1 撞擊船船艏、被撞船艏部和船舯碰撞區模型Fig.1 The FE model of fore of striking ship,fore and midship broadside area of struck ship

3 典型舷側碰撞模式

3.1 碰撞模式1：進入補給陣列前撞擊船以18 kns航速追補給船

當撞擊船在進入補給陣列前以18 kns航速行駛，被撞船以12 kns航速行駛，兩船夾角為5°時，根據文獻[6]得到兩船碰撞模式如圖2所示。

3.2 碰撞模式2：撞擊船進入補給陣列過程中位置調整

根據文獻[6]中確定的補給作業位置調整過程碰撞模式，被撞船以12 kns航速行駛，撞擊船航速為16 kns，夾角為12.43°時，兩船的碰撞模式如圖3所示。

3.3 碰撞模式3：補給作業時的碰撞（1）

根據文獻[6]確定的補給作業過程中的碰撞模式中，被撞船與撞擊船航速均為16 kns，并考慮兩船有3°艏搖角，此時兩船夾角為13.15°，該模式對應的碰撞模式如圖4所示。

3.4 碰撞模式4：補給作業時的碰撞（2）

根據文獻[6]確定的補給作業過程中的碰撞模式中，被撞船與撞擊船航速均為16 kns，并考慮兩船有3°艏搖角，此時兩船夾角為7.52°，該模式對應的碰撞模式如圖5所示。

圖2 碰撞模式1損傷環境Fig.2 Damaged environment of collision mode 1

圖3 碰撞模式2損傷環境Fig.3 Damaged environment of collision mode 2

圖4 碰撞模式3損傷環境Fig.4 Damaged environment of collision mode 3

圖5 碰撞模式4損傷環境Fig.5 Damaged environment of collision mode 4

4 碰撞損傷環境數值計算

4.1 被撞船舷側受撞損傷

針對上述四種碰撞模式進行碰撞損傷環境數值仿真計算研究，碰撞模式1仿真計算時間為3.5 s，其余三種碰撞模式仿真時間為2.5 s。圖6-13給出三種碰撞模式下碰撞力最大時刻的舷側結構損傷變形圖。從被撞船舷側受撞損傷變形圖可以看出，四種碰撞模式下，撞擊船艏部與被撞船舷側板發生碰撞接觸，由于兩船有相對滑動，受撞區隨著碰撞過程的進行在不斷變化，被撞船舷側外板及舷側縱骨產生了明顯的變形，接觸區殼板的應力超過了材料的屈服應力，接觸區的局部構件已經屈服，產生了塑性變形，但殼板沒有發生破裂，主要構件沒有破壞。碰撞主要造成了被撞船舷側局部區域構件的損傷變形，遠離碰撞接觸區的構件損傷變形較小。對于碰撞模式1而言，由于碰撞發生時兩船夾角相對較小，主要由撞擊船艏部受到碰撞力作用向外側反彈，而導致的撞擊船艏部與被撞船舷側發生滑動刮傷，因此損傷區域狹長。與碰撞模式1相比，碰撞模式2、3、4中由于兩船之間夾角增大，使得被撞船舷側結構的損傷變形更為嚴重，損傷區域也更大。

圖6 模式1中被撞船舷側結構損傷變形Fig.6 Broadside damaged of struck ship in mode 1

圖7 模式1中被撞船舷側肋板及骨材損傷變形Fig.7 Floor and stiffener damaged of struck ship in mode 1

圖8 模式2中被撞船舷側結構損傷變形Fig.8 Broadside damaged of struck ship in mode 2

圖9 模式2中被撞船舷側肋板及骨材損傷變形Fig.9 Floor and stiffener damaged of struck ship in mode 2

圖10 模式3中被撞船舷側結構損傷變形Fig.10 Broadside damaged of struck ship in mode 3

圖11 模式3中被撞船舷側肋板及骨材損傷變形Fig.11 Floor and stiffener damaged of struck ship in mode 3

圖12 模式4中被撞船舷側結構損傷變形Fig.12 Broadside damaged of struck ship in mode 4

圖13 模式4中被撞船舷側肋板及骨材損傷變形Fig.13 Floor and stiffener damaged of struck ship in mode 4

4.2 碰撞力

圖14給出了四種碰撞模式整個碰撞過程中碰撞力的變化曲線?？梢钥闯觯鲎擦η€具有明顯的非線性，在碰撞發生后0.03-0.04 s間產生最大值，之后撞擊船被彈開，而由于吸力和力矩作用，使得兩船發生多次碰撞而導致碰撞力出現多個峰值，但碰撞力整體成下降趨勢，直至碰撞結束。碰撞模式1中，雖然碰撞發生時兩船間夾角小，但是被撞船航速相對于碰撞模式2、3更大，因此該模式的碰撞力與碰撞模式2、3的碰撞力接近。碰撞模式4雖然航速與碰撞模式2、3相同，但是碰撞發生時兩船夾角較小，因此碰撞力相對略小。

圖14 四種碰撞模式的碰撞力曲線（左）和最大值區域局部放大圖（右）Fig.14 Collision force curve(Left)and local magnified(Right)curve of four modes

4.3 能量變化

碰撞發生前，兩船都具有初始航速，并且計算假設撞擊船是剛體而不存在變形能。因此碰撞一旦發生，兩船的動能將發生變化，撞擊船損失的動能將轉化為被撞船動能的增加、船體結構的變形能、摩擦產生的熱能以及沙漏能。圖15-17給出了前三種碰撞模式的撞擊船動能損失、被撞船的結構變形能、動能增加以及沙漏能變化曲線。由圖15-17可以得出在兩船反復發生碰撞過程以及碰撞結束后，撞擊船的動能是在不斷減小，這是由于在碰撞結束后兩船之間存在吸力以及力矩的做功，阻礙撞擊船反彈，因此撞擊船的動能仍然在減小。撞擊船的動能損失主要轉變成了被撞船的結構變形能和動能，以及克服吸力，力矩所作的功，碰撞過程中沙漏能很小，可以忽略不計。由于兩船間夾角較小使得碰撞過程中是具有相對滑動，碰撞使得被撞船的速度有所增加，盡管速度增量比較小，但是由于被撞船的質量較大，因此動能增加較大，由于碰撞角度較小并且受撞區域較小，因此被撞船的變形能較小。碰撞模式2與模式1相比，由于撞擊船航速降低，因此被撞船增加的動能和變形能減小，即：隨著撞擊船航速的增加，被撞船動能和結構的變形能增加；而碰撞模式3與碰撞模式2相比，被撞船航速增加，兩船夾角變化不大，導致雖然被撞船的動能也有所增加，但是被撞船的變形能增加值相對于動能的增加更大，即：隨著被撞船航速的增加，被撞船結構損傷也增大。碰撞模式4由于撞擊位置在艏部，能量的變化與前三種碰撞模式不同，見圖18。兩船發生碰撞后，由于被撞船艏部外型變化，撞擊船阻礙被撞船前進，而被撞船促進撞擊船前進，這導致撞擊船動能會有初始的增加，而被撞船動能會首先減小。隨著碰撞的進行，兩船間夾角的變小，撞擊船動能又隨之減小，被撞船動能隨之增加。

圖15 模式1能量曲線Fig.15 Energy curve of mode 1

圖16 模式2能量曲線Fig.16 Energy curve of mode 2

圖17 模式3能量曲線Fig.17 Energy curve of mode 3

圖18 模式4能量曲線Fig.18 Energy curve of mode 4

4.4 碰撞對船體運動的影響

在碰撞力作用下，相撞船舶的運動姿態會有所改變，圖19和圖20給出了四種碰撞模式中被撞船縱向和橫向的速度變化曲線。從圖19和圖20中可以得出，在受到撞擊船碰撞作用下，由于被撞船其質量較大，碰撞對速度的改變較小，被撞船的縱向速度增加不明顯；碰撞會使被撞船產生朝向右舷的橫向速度，速度增加很小。圖21和圖22給出了被撞船艏部和艉部的速度變化。通過相應的速度的變化可以看出碰撞過程使得被撞船發生船體梁的振動現象。

圖19 被撞船船舯縱向速度曲線Fig.19 X-axis velocity curve of struck ship’s midship

圖20 被撞船船舯橫向速度曲線Fig.20 Y-axis velocity curve of struck ship’s midship

圖21 被撞船船艏橫向速度曲線Fig.21 Y-axis velocity curve of struck ship’s fore

圖22 被撞船船艉橫向速度曲線Fig.22 Y-axis velocity curve of struck ship’s stern

圖23 撞擊船艏部橫向速度曲線Fig.23 Y-axis velocity curve of struckinh ship’s fore

圖24 撞擊船艉部橫向速度曲線Fig.24 Y-axis velocity curve of strucking ship’s stern

圖23和圖24給出了撞擊船橫向速度的變化曲線，從中可以看出撞擊船的艏部橫向速度由于碰撞的發生，在碰撞力的作用下先減小，然后反彈過程中反向逐漸增加，在碰撞結束后，由于吸力以及力矩的作用，橫向速度又有所減??；對于撞擊船艉部的橫向速度，在整個碰撞過程中，持續增加，碰撞結束后，反彈過程中，由于力矩的作用，橫向速度減小。對于碰撞模式3，由于發生碰撞后撞擊船直接被反彈出去，因此橫向速度未發生小的波動現象，其他三種工況均是發生多次碰撞而產生速度的波動。

5 結 論

選取橫向補給作業過程中可能發生的典型舷側碰撞模式開展了目標船舷側碰撞損傷環境的研究，通過對各種典型舷側碰撞模式下的損傷環境計算分析，得出以下結論：

（1）在航行補給時發生的各種典型舷側碰撞模式下，碰撞角度都很小，因此碰撞發生時兩船之間主要以相對滑動為主，會發生反彈作用，并且未發生撕裂等現象，因此目前常規的垂直對中碰撞分析相對于補給作業過程相對保守；

（2）發生碰撞時，在撞擊船和被撞船的接觸區域會產生碰撞力，由于碰撞過程中兩船的航速和運動方向會發生變化，并且接觸區的結構會產生變形，因此接觸區的位置和接觸力方向也是時刻變化的，因此產生的碰撞力，船舶運動具有明顯的非線性；

（3）典型碰撞模式下，主要是撞擊船的船艏碰撞被撞船的舷側，因此接觸形式類似于點-面或線-面接觸。碰撞造成被撞船舷側受損的區域主要集中在碰撞接觸區，遠離碰撞接觸區的結構變形很小，可以忽略不計。碰撞將會引起船體梁的振動現象；

（4）舷側受撞下，被撞船在橫向會產生較大的動能，但由于船體本身的重量很大，因此橫向上產生的速度變化不會很大；

（5）被撞船舷側受撞的損傷程度隨著碰撞角度和相對速度的增加而增加，隨著補給航速的提高碰撞造成的船體結構損傷程度也會增加。

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Research of store ship broadside collision damaged environment

ZHAO Nan1,2,LIU Jun-jie1,2,LI Zheng-jie1,HU Jia-jun1
(1 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2 Jiangsu Key Laboratory of Green Ship Technology,Wuxi 214082,China)

Based on broadside collision mode,the angle of two ships while collision happening and impacted position of store ship in each stage is analyzed,and the damage behavior of a store ship broadside in collision is studied through numerical simulation by explicit non-linear finite element method.The time history of collision force,energy absorption and structural deformation during collision are described.The damage mode and the resistant effects of the side structure and movement of the both encountered ships are analyzed and discussed.Some general instructive conclusions on behavior of store ship broadside collision are obtained.The research work of this paper provides a guide for evaluation of side structural damage of store ship and optimization design of side structure.

store ship;horizontal supply;broadside collision damaged;collision force;energy absorption

U661.4

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.08.009

1007-7294（2015）08-0950-08

2015-04-03

趙 南（1985-），男，博士研究生，工程師，E-mail:ao4011531@163.com；

劉俊杰（1978-），男，博士，高級工程師。