撞擊船載貨對雙殼油船碰撞損傷的影響

吳文鋒， 楊雨濱， 張建偉， 盧金樹， 王帥軍， 朱發新

(浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院， 浙江 舟山 316022)

0 引 言

隨著世界經濟的迅速發展，海上貿易日趨繁忙，而航行船舶數量激增，航速不斷提高，航線越加擁擠，使得船舶間碰撞事故發生的可能性顯著上升。船舶作為一種復雜且龐大的海上可移動建筑，其碰撞事故的后果往往是災難性的，尤其是大型油船碰撞事故不僅可能引起船體結構破損，還可能引發一系列環境污染問題。因此，開展油船碰撞性能研究對于保障航行安全和保護環境具有十分重大的意義。

以往由于油船碰撞問題的復雜性及其求解技術發展的局限性等影響，油船結構碰撞性能研究普遍以空載油船為研究對象，忽略艙內液貨的影響[1-5]。近年來隨著碰撞損傷機理研究的深入及計算機軟硬件技術的發展，有部分學者對載貨狀態下油船的碰撞問題進行初步探討。ZHANG等[6]采用3種數值仿真方法對在碰撞載荷作用下油船內流體與結構的相互作用進行研究，發現拉格朗日歐拉法所得結果合理且計算成本較低，可作為實際工程應用的方法。楊樹濤[7]開展艙內液貨對舷側結構抗沖擊性能影響的研究，發現艙內液貨對碰撞特性有一定影響。張日紅[8]通過數值模擬對在碰撞載荷作用下滿載油船內液貨與舷側結構之間的相互作用對油船結構損傷變形及結構碰撞性能的影響開展研究。TABRI等[9]通過模型試驗對船舶在液貨晃蕩作用下的碰撞性能進行研究，發現液體晃蕩對船舶碰撞性能具有重要影響。CUI等[10]針對雙殼油船的某個艙段，對在空載和80%裝載狀態下的碰撞動力學過程進行分析，發現艙內液貨對船舶舷側碰撞性能影響極為不利。吳文鋒等[11]運用數值模擬軟件ANSYS/LS-DYNA分析雙殼油船在載貨狀態下艙內液貨晃蕩對舷側結構碰撞性能的影響，研究結果表明在研究雙殼油船碰撞時不能忽略艙內液貨的影響。

綜上所述，當前針對載貨油船碰撞問題的研究主要以被撞船為研究對象，尚未有學者開展撞擊船艙內載貨對油船碰撞損傷過程的影響研究。在實際油船碰撞過程中，撞擊船一般處于載貨狀態，因此有必要開展撞擊船載貨對油船碰撞損傷的影響分析。本文應用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，以7 000 噸級雙殼油船為研究對象建立船舶碰撞數值模型，分別對空載和液艙載液率80%的撞擊船在單艙載貨、雙艙載貨、3艙載貨等情況下開展數值仿真計算。對比分析碰撞力、結構損傷變形等，得出撞擊船載貨對雙殼油船碰撞損傷特性的一般影響規律。

1 碰撞方案

以7 000噸級雙殼油船為研究對象，撞擊船以4 m/s的速度垂直對中撞向處于靜止狀態的雙殼油船。相撞船舶的主要尺寸如表1所示。

表1 相撞船舶的主要尺寸

為探究撞擊船載貨對雙殼油船碰撞損傷的影響特征，撞擊船載貨狀況分別為空載、單艙載貨、雙艙載貨、3艙載貨等4種狀態。船舶碰撞方案如表2所示，撞擊船艙室分布如圖1所示。

表2 船舶碰撞方案

圖1 撞擊船艙室分布

2 模型建立

2.1 船舶碰撞模型

考慮到船舶碰撞的局部特性以及模型計算的時間成本，在建立船舶模型過程中，對模型進行簡化處理。其中，被撞船簡化為1段貨艙，通過艙段中間平衡桿保證被撞船質心和重心等與實船一致。撞擊船船首結構與實船船首形狀一致，舷側液艙結構只保留液艙外殼，但通過密度調整法保證質心和重量與實船一致[12]。船舶碰撞數值模型如圖2所示。

圖2 船舶碰撞數值模型

在碰撞中船首部剛度一般遠高于被撞船的舷側結構，因此本文撞擊船采用剛性材料，被撞船考慮采用應變率效應的塑性動態模型[13]，其參數設置如表3所示。

2.2 艙內原油模型

艙內原油模型主要包括原油和空氣兩部分。本文艙內原油模型材料特性主要通過LS-DYNA中NULL材料模型和狀態方程進行描述。

表3 塑性動態材料模型的參數設置

空氣狀態方程采用LS-DYNA提供的線性多項式狀態方程，并通過關鍵字*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL來描述[14]。空氣材料參數如表4所示。該狀態方程定義壓縮材料的壓力為

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(C4+C5μ+C6μ2)E0(1)

式中：P為壓力；E0為初始比內能；C0、C1、C2、C3、C4、C5和C6為自定義常數；μ為比體積。

表4 空氣材料參數

狀態方程采用LS-DYNA提供的Gruneusen方程，并通過關鍵字*EOS_GRUNEUSEN進行描述[11]。原油材料參數如表5所示。該狀態方程定義壓縮材料的壓力為

(γ0+αμ)E0(2)

式中：P為壓力；ρ0為流體初始密度；C為撞擊速度-質點速度(νs-νp)曲線截距；μ為比體積，其值為ρ/ρ0-1；γ0為格林愛森常數；α為γ0的一階體積修正因數；S1、S2、S3為νs-νp曲線的斜率因數；E0為單位體積內能。

在計算過程中，艙內原油采用任意拉格朗日歐拉算法，設置LS-DYNA的關鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID，實現與撞擊船結構的流固耦合。

表5 原油材料參數

3 仿真計算結果及分析

3.1 碰撞船舶速度變化分析

圖3為船舶速度與時間的變化曲線。從圖3可以看出，碰撞船舶速度包括撞擊船速度和被撞船速度。在各工況下被撞船速度隨時間變化趨勢基本一致。撞擊船速度變化主要分為3個階段：第1階段為撞擊時間約在0.38 s前，此階段撞擊船與被撞船接觸，由于碰撞初期撞擊船所在液貨未及時響應，在各工況下模型碰撞情形相似，故撞擊船速度變化相差不大；第2階段撞擊時間約在0.38～1.70 s，通過后處理軟件LS-Propest查看得知此時艙內液貨開始響應，具體響應體現在撞擊船裝載液貨越多，其速度變化越快；第3階段在1.70 s之后，此時被撞船漂移速度大于撞擊船速度，撞擊船與被撞船相互作用減弱。

圖3 碰撞船舶速度-時間曲線

3.2 撞擊深度變化分析

圖4為撞擊船撞擊深度隨時間變化的關系曲線。從圖4可以看出，撞擊深度變化主要分為2個階段：第1階段，撞擊時間約在0.38 s前，此階段撞擊船船首與被撞船舷側結構接觸作用但未撞破被撞船內殼，碰撞能量通過舷側結構傳遞給被撞船。此時，由于碰撞時間較短，撞擊船艙內液貨未發生明顯響應，且被撞船質量和結構均一致，因此撞擊深度隨時間變化基本一致。第2階段為撞擊時間約在0.38～1.70 s時，隨著時間的增長，撞擊船艙載貨越多，撞擊深度越淺。這主要是由于撞擊船產生的碰撞能量部分由撞擊船速度驟降所產生的撞擊船艙內液貨晃蕩所吸收。第3階段為1.70 s后，撞深變化十分平緩，這是由于被撞船漂移速度大于撞擊船速度，撞擊船與被撞船相互作用減弱。

圖4 撞擊深度-時間曲線

3.3 碰撞力分析

圖5為碰撞力隨時間變化的關系曲線。如圖所示，模型碰撞力可劃分為3個階段。第1階段為撞擊時間0.38 s之前，撞擊船撞擊被撞擊船，其中，撞船未與內殼發生作用。此階段在0.17 s前，由于被撞擊船舷側結構變形阻礙撞擊船的推進，碰撞力顯著提升；在0.17～0.38 s時，由于被撞船外殼破裂，撞擊船與雙殼間縱橫骨架接觸作用，但仍未與內殼板直接作用。由于此階段撞擊船艙內液貨響應微弱，各碰撞工況下撞擊狀況一致，此階段各模型碰撞力基本一致。第2階段為撞擊時間約在0.38 s后，由于撞擊船與內殼板接觸，使得碰撞力迅速上升直至內殼破損，碰撞力有所下降，并伴隨著撞擊船的繼續推進，碰撞力有一定波動。第3階段為在撞擊時間到達1.70 s后，碰撞力開始下降，此時由于撞擊船速度小于被撞船漂移速度，撞擊船與被撞船接觸減弱。此階段由于碰撞過程的復雜性，撞擊船載貨未對碰撞力產生明顯的作用。

圖5 碰撞力-時間曲線

3.4 吸能分析

圖6為被撞擊船內能隨時間變化曲線。從圖6可以看出：在碰撞前期，即撞擊時間約在0.38 s前，撞擊船是否裝載液貨對被撞船內能變化幾乎不產生影響。此時撞擊船艙內液貨未發生明顯響應，碰撞形式基本一致，因此此階段被撞船由結構變形產生的內能與撞擊船載貨狀態關聯較小。在碰撞后期，即撞擊時間約在0.38 s后，由圖3可知，此時由于艙內液貨發生明顯響應，撞擊船速度隨撞擊船載貨狀態不同產生明顯差異，撞擊船貨艙載貨越多，撞擊船速度下降越快，撞擊深度越淺，從而導致被撞船內能越小。

圖6 被撞擊船內能-時間曲線

圖7反映在4種碰撞情形下被撞船外殼板內能隨時間變化的關系曲線。從圖7可以看出：撞擊時間約在0.38 s前，4種碰撞情形的外殼內能變化基本一致，主要原因為碰撞初期撞擊船艙內液貨未起明顯作用，4種碰撞情形基本一致。撞擊時間約在0.38 s后，隨著撞擊深度增加，外殼繼續朝撞擊方向彎曲變形吸能，外殼內能逐漸增大。由圖3可知：在0.38～1.70 s，撞擊速度隨撞擊船載貨減少，其引起外殼結構變形的程度也相對較低。在1.70 s后，由于撞擊船與被撞船相脫離，此時撞擊船對被撞船作用迅速減小，且被撞船舷側結構變形吸能已基本完成，外殼內能變化趨于平緩。

圖7 外殼板內能-時間曲線

圖8為各模型內殼板內能隨撞擊時間變化的關系曲線。從圖8可以看出：撞擊時間約在0.38 s前，撞擊船未對內殼產生明顯作用，內殼內能增長平緩。隨著撞擊時間的推進，撞擊船與內殼發生接觸，內殼內能迅速增加，此時內殼內能主要為碰撞引起的內殼變形。撞擊船貨艙載貨越多，撞擊船速度下降越明顯、撞擊深度越淺，內殼變形吸收能量越少，造成船舶損傷越輕。

圖8 內殼板內能-時間曲線

綜上所述，在船舶碰撞過程中，撞擊船貨艙載貨越多，被撞船內外殼板及船舶整體的吸能越少，說明撞擊船艙內液貨對船舶碰撞損傷具有重要影響。

4 結 語

以雙殼油船為研究對象，應用ANSYS/LS-DYNA對比分析撞擊船載貨對雙殼油船舷側結構碰撞性能，得出主要結論如下：

(1) 在碰撞前期，撞擊船載貨狀況對撞擊深度、碰撞力及結構吸能等方面影響較小，可以忽略撞擊船載貨對船舶舷側結構損傷的影響。

(2) 在碰撞后期，撞擊船載貨狀況對雙殼油船碰撞性能產生較為明顯的影響，主要體現在撞擊船載貨工況相對于空載工況，撞擊船撞擊深度較淺，被撞船舷側結構吸能較少，且隨著撞擊船艙載貨越多，撞擊深度及結構吸能相應減少。因此，研究雙殼油船碰撞問題不能忽略撞擊船載貨帶來的影響。