1萬m3LNG運輸船碰撞仿真模擬分析

張榮，于有利，石峰，肖曙明，王娜，朱加剛

(1.中海油能源發展采油服務公司，天津 300452;2.中國船級社武漢規范研究所，武漢 430022)

1萬m3LNG運輸船碰撞仿真模擬分析

張榮1，于有利1，石峰1，肖曙明2，王娜2，朱加剛2

(1.中海油能源發展采油服務公司，天津 300452;2.中國船級社武漢規范研究所，武漢 430022)

以1萬m3內河小型LNG運輸船為例，探討船舶碰撞數值仿真方法的分析過程和方法，獲得該船與不同排水量撞擊船相撞時臨界撞擊速度與撞擊角度的關系曲線，根據計算結果對典型LNG運輸船的安全運營給出意見和建議。

LNG運輸船;碰撞仿真;抗碰撞能力;臨界撞擊速度;撞擊角度

隨著市場對液化天然氣(LNG)需求的增長加快，LNG海上以及內河運輸也在快速發展。由于LNG運輸船屬于危險品船，其與航區內其他船舶的碰撞問題顯得尤其突出。因為碰撞事故不僅會導致船舶結構的損壞，還可能引起泄漏事故從而引發爆炸、低溫破壞，以及人員中毒等危險。在全球發生的海難事故中，有40%以上是由于船舶碰撞造成的［1］，因此船舶碰撞問題越來越受到研究人員的重視。對LNG船進行抗碰撞能力評估，提高LNG船的抗碰撞能力，增強LNG運輸船營運的安全性具有極為重要的意義。

1 船舶碰撞研究方法

船舶碰撞屬于強非線性物理現象，涉及到船舶的塑性變形、斷裂、撕開等非線性力學行為。船舶碰撞的研究經過幾十年的發展，主要有經驗方法、簡化解析方法、試驗方法和有限元數值仿真方法4種。

1)經驗方法主要是以Minorsky［2］于1959年根據26艘實船碰撞試驗數據為基礎，提出的結構變形能與參與變形的結構損傷體積之間的經驗公式進行船舶碰撞過程中能量吸收的計算，但是Minorsky公式具有很大的局限性，因此Minorsky公式不斷被修正。

2)簡化解析方法則基于一系列基本假設，建立船舶碰撞分析的數學模型，模型中包括加筋板的彎曲和屈曲、外板和甲板的膜拉伸、肋骨的失效。從而得到船舶碰撞過程中被撞船吸收能量的計算公式。

3)試驗方法則是通過實船試驗或縮比模型試驗，從試驗中獲取相關數據，換算到實船［3］。

4)有限元數值仿真方法不僅能夠計算碰撞區的結構損傷變形和碰撞力，而且結合了外部機理的分析和計算，可以真實地模擬碰撞現象，具有解析法無法比擬的優勢，能夠部分代替實船和模型的碰撞試驗，實現“虛擬碰撞”。從上個世紀90年代以來。國內外從事船舶碰撞的學者采用三維非線性動態響應分析軟件，對船舶碰撞課題展開了十分廣泛的分析研究［4-5］。

本文將采用三維非線性有限元仿真方法，對典型LNG運輸船進行碰撞仿真模擬。

2 撞擊船的選取和模擬

2．1 撞擊船的選取

為便于討論，將在LNG運輸船航線內與之發生碰撞的船舶分為小型、中型和大型船舶。小型船一般為交通艇、客渡船，等;中型船一般為集裝箱或散貨船;大型船主要是排水量超過10 000 t的散貨船、油船(包括進江的海船)等。

針對小型撞擊船，選取排水量約為200 t(對應船長約為40 m左右)的典型實船1艘;針對中型撞擊船，選取排水量約為3 600 t(對應船長約為80 m)的典型實船1艘;針對大型撞擊船，選取長江中下游130 m左右，排水量約為20 000 t的實船1艘。

中小型船的艏部形狀一般為傾斜船艏，大型船一般為帶球鼻艏的傾斜船艏。

撞擊船的基本情況見表1。

表1 撞擊船基本情況

2．2 撞擊船有限元模擬

船舶碰撞的仿真分析模型主要包括撞擊船和被撞船兩個部分。在研究過程中，建立被撞船的全船結構有限元模型。參考《內河雙殼液貨船耐碰撞評估指南》［6］中的相關規定，對于撞擊船，不考慮其損傷變形和吸能特性，將它們作為剛性體考慮，建立撞擊船的艏部外形有限元模型進行碰撞仿真分析，見圖1。

3 被撞船模擬

3．1 被撞船概述

被撞船1萬m3LNG運輸船的主要尺度參數見表2。側視圖見圖2。

圖1 撞擊船有限元模型

表2 1萬m3LNG運輸船主尺度

3．2 被撞船有限元模擬

根據結構的實際受力狀態將全船各類結構按建造厚度離散為下列幾種類型。

圖2 被撞船1萬m3LNG運輸船側視示意

1)板殼元(四節點，shell element):甲板、舷側外板及船底板、內底板、船底縱桁、艙口圍板、縱艙壁及橫艙壁、肋板、強框架、雙殼間縱向平臺，板材上的縱橫骨材、水密艙壁上扶強材，等，對其腹板采用板殼元模擬。

2)梁元(兩節點，beam element):板材上的縱橫骨材、水密艙壁上扶強材，等，對其面板采用梁元模擬。

在被撞船的有限元仿真計算中，殼單元均采用Thin shell 163單元，梁單元均采用Beam 161單元。被撞船有限元模型見圖3。

材料屬性有剛性材料和多線性(雙線性)彈塑性材料。由于撞擊船的艏部剛度要遠遠大于被撞船中部殼板和縱骨等骨材的剛度，故采用剛性材料模擬撞擊船艏部。這樣不僅可以提高計算效率，而且所得到的仿真結果也偏于保守。被撞船舷側結構則采用雙線性彈塑性材料模擬。

圖3 被撞船有限元模型

1萬m3LNG船主船體采用Q235船用鋼，彈性模量為206 GPa，切線模量為1 180 MPa，泊松比為0.3。在仿真計算中考慮撞擊船與被撞船之間的摩擦作用，定義摩擦系數為0.3。

4 碰撞模擬仿真方案

4．1 邊界條件、接觸方式的確定

在有限元計算模擬中，接觸設定均采用自動單面接觸。單面接觸可以用在一個物體表面的自身接觸或兩個物體表面間的接觸，對于模型中殼單元法向方向可能出現不一致的情況最好采用自動接觸算法。在自動單面接觸中程序會自動判斷模型中哪些表面發生接觸，不需要人為定義主、從接觸面?？紤]到單面自動接觸不能自動輸出接觸力，計算時定義一個力傳感器接觸方式，用來輸出關心部件所受的接觸力［7-9］。

由于船舶碰撞為局部損傷現象，只在碰撞區域產生塑性變形、破裂，非碰撞區域基本上不會產生塑性變形。因此，為減少計算時間、提高計算效率，對被撞船作如下約束處理。

1)艉部艉尖艙橫艙壁處所有節點約束x向，y向和z向的位移與轉動。

2)艏部艏尖艙橫艙壁處所有節點約束x向，y向和z向的位移與轉動。

4．2 網格尺寸和失效應變分析

在有限元仿真中，確定單元失效、斷裂或破壞(即單元喪失了強度和維持承載的能力)的材料模型的塑性失效應變是比較困難的。根據《內河船舶抗碰撞能力評估指南》的規定，采用50 mm的網格尺寸，其臨界斷裂應變值應取為0.22。由于撞擊船縱向肋骨間據為700 mm。當單元尺寸劃分為50 mm時，僅碰撞區網格數就達到70萬，整船模型網格數則會達到200萬以上，這給船舶碰撞的仿真分析帶來極大困難。為了提高計算效率，減少計算時間，將碰撞區網格尺寸設定為100 mm，非碰撞區域網格尺寸則為700 mm。當碰撞區網格尺寸改變時，其臨界斷裂應變值必須進行相應改變。

為確定對應100 mm單元尺寸時臨界斷裂應變值的大小，需通過選取不同的臨界斷裂應變值，進行船舶碰撞的仿真模擬，得到相應的撞擊力-撞深曲線和能量-撞深曲線，并將其與50 mm網格，臨界斷裂應變值為0.22的船舶碰撞模擬結果進行比較，最終確定臨界斷裂應變值的大小。具體步驟如下。

1)建立局部艙段的有限元仿真模型和撞擊船艏部仿真模型。

2)將艙段分別采用50和100 mm單元尺寸進行網格劃分。

3)針對50 mm網格尺寸的艙段模型，臨界斷裂應變取為0.22，進行碰撞的仿真模擬計算。

4)針對100 mm網格尺寸的艙段模型，臨界斷裂應變值分別取為0.19、0.18、0.17進行碰撞仿真模擬。

5)將以上計算得到的撞擊力-撞深曲線、能量-撞深曲線同50 mm的撞擊力-撞深曲線和能量-撞深曲線進行比較，選取吻合較好的一組臨界斷裂應變值作為本仿真模擬中對應100 mm網格尺寸的斷裂應變值EL，見圖4、5。

圖4 撞擊力-撞深對比

圖5 能量-撞深對比

圖4、5給出了網格尺寸為50 mm(臨界斷裂應變值為0.22)和網格尺寸為100 mm(臨界斷裂應變值分別為0.19、0.18、0.17)的撞擊力-撞深曲線和能量-撞深曲線。由圖可見，在網格尺寸為100 mm，臨界斷裂應變值為0.19時，無論是撞擊力-撞深曲線還是能量-撞深曲線均與網格尺寸為50 mm仿真模擬結果吻合較好，表明網格尺寸為100 mm時，臨界斷裂應變值應取0.19。

4．3 碰撞模擬仿真力學模型的選取

對小型船撞擊，因被撞擊區域較小，故采用局部模型進行碰撞仿真分析，局部模型取為被撞船兩橫向艙壁之間的一個貨艙區的左舷。仿真計算中采用附連水質量法考慮周圍流體介質的動力影響，根據《內河船舶抗碰撞能力評估指南》的規定，撞擊船的附連水質量取為排水量的10%，以等效質量密度的形式附加在外殼板上。對局部模型，細化區網格最大邊長尺寸為100 mm，網格數為17萬。局部撞擊模型見圖6。

圖6 LNG運輸船局部模型

對中型、大型船舶，因撞擊區域較大，采用全船模型進行計算?？紤]計算時間，整船模型網格劃分的原則為:對撞擊區采用100 mm網格尺寸劃分，相應的失效應變為0.19;對非撞擊區網格則以700 mm作為網格最大邊長尺寸進行劃分。最終網格數目為46萬。LNG運輸船整船網格模型示意見圖7。

圖7 LNG運輸船整船網格模型示意

5 碰撞模擬仿真結果分析

5．1 碰撞角度對抗碰撞能力的影響

為了分析碰撞角度對抗碰撞能力的影響，以撞擊角度為30°、90°兩種情況進行仿真分析。撞擊船以30°斜撞LNG運輸船示意見圖8。

圖8 撞擊船以30°斜撞LNG運輸船有限元模型示意

中型撞擊船以30°和90°(直角撞擊)撞擊LNG運輸船時的內能與摩擦能對比見圖9。由圖9可見，隨著撞擊角度的減小，被撞船舷側結構的塑性變形能和摩擦能均大幅增加，尤其因摩擦而消耗的能量增加更快。這表明有意減小撞擊角度將有助于確保LNG運輸船罐體不受損傷。

5．2 撞擊速度對抗碰撞能力的影響

撞擊速度的增加，在排水量不變的情況下，意味著撞擊船動能增大。碰撞過程中，撞擊船動能的損失主要轉化為被撞船的結構變形能。所以控制撞擊船的撞擊速度是保證LNG運輸船安全營運的關鍵。

圖9 中阻撞擊船以不同撞擊角度撞擊LNG運輸船內能和摩擦能對比

5．3 臨界撞擊速度與撞擊角度的關系

被撞船的抗碰撞能力主要與撞擊船的撞擊角度和撞擊速度有關。對于一定排水量的撞擊船來說，被撞船在一定撞擊速度下存在一個極限撞擊角度。同理，針對一定排水量的撞擊船來說，被撞船在一定撞擊角度下存在一個極限撞擊速度。

分別對撞擊船為小型、中型和大型船舶，以不同夾角(30°、45°、60°、90°)撞擊LNG運輸船過程進行模擬仿真，并計算出臨界撞擊速度。以此繪制針對不同撞擊船以不同角度撞擊LNG運輸船時臨界撞擊速度與撞擊角度的關系圖譜，見圖10。

圖10 小、中、大型船撞擊LNG運輸船圖譜

1)由圖10 a)可見:對于小型船撞擊1萬m3LNG運輸船，因其撞擊動能較小，只要對1萬m3LNG運輸船的舷側結構進行適當抗碰撞加強，其安全水平可以接受。

2)由圖10 b)可見:對于中型船撞擊1萬m3LNG運輸船，當撞擊角度小于等于45°時，1萬m3LNG運輸船的罐體不會受損傷，其安全水平可以接受。如果對1萬m3LNG運輸船的舷側結構進行抗碰撞加強，則能提高1萬m3LNG運輸船的抗碰撞能力。

3)由圖10 c)可見:對于大型船撞擊1萬m3LNG運輸船，由于該貨船滿載排水量大，含有極高的動能，因此1萬m3LNG運輸船難以滿足該類撞擊船撞擊時的安全水平。從計算結果可以看出，1萬m3LNG運輸船能夠抵抗該類貨船滿載工況下撞擊角度為30°時的撞擊。對于該類船舶必須采取海事監管措施，使其不會對1萬m3LNG運輸船造成危害。

4)從各撞擊船以不同撞擊角度撞擊1萬m3LNG運輸船的圖譜曲線可以看出，隨著撞擊角度的減小，1萬m3LNG運輸船所能抵抗撞擊船的撞擊速度一開始是緩慢增加，當撞擊角度減小至60°時并繼續減小時，該運輸船所能抵抗撞擊船的撞擊速度增加很快。這表明當撞擊船以小角度撞擊該運輸船時，該運輸船能夠抵抗撞擊船以更高速度的撞擊。

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［3］肖曙明，劉敬喜，王娜，等.雙殼船內外殼結構耐撞性試驗與仿真研究［J］.應用力學學報，2013，30(2): 257-262.

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Numerical Collision Simulation of 10 000 m3LNG Transport Ship

ZHANG Rong1，YU You-li1，SHI Feng1，XIAO Shu-ming2，WANG Na2，ZHU Jia-gang2
(1.CNOOC energy technology production of Service Corporation，Tianjin 300452，China; 2.Wuhan Rule and Regulation Research Institute，China Classification Society，Wuhan 430022，China)

Taking the 10 000 m3inland LNG transport ship as example，the methodology of numerical simulations for ships＇collision is discussed.The critical collision speed-collision degree curves for the 10 000 m3inland LNG transport ship collided by a ship with different displacements are obtained by the non-linear FEM analysis.According to the analytical results，some comments and suggestions for shipping safety of typical LNG transport ship are put forward.

LNG transport ship;collision simulation;collision resistance ability;critical collision speed;collision degree curve

U674.13

A

1671-7953(2015)02-0010-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.003

2014-05-29

修回日期:2014-08-08

中小型LNG運輸船碰撞(CY-G-S-12-ZC-019)

張榮(1979-)，男，學士，工程師

研究方向:中海油液化天然氣(LNG)運輸船業務

E-mail:nwang@ccs.org.cn