碰撞位置對高速三體船碰撞性能的影響研究

朱浩亮

（常州市地方海事局，江蘇常州213004）

碰撞位置對高速三體船碰撞性能的影響研究

朱浩亮

（常州市地方海事局，江蘇常州213004）

基于碰撞有限元分析方法及理論，以高速三體船為研究對象，使用有限元軟件MSC.Dytran全船仿真建立有限元模型。采用正面碰撞模型分別對三體船主體、附體和連接橋與剛性墻的碰撞開展計算，研究其在結構損傷變形、位移、速度、碰撞力和船體結構能量吸收等方面上的性能。針對以上研究結果對三體船結構提出了優化方案，最終通過數值仿真的計算、分析和比較，進一步得出優化后三體船碰撞性能的變化，為三體船結構設計和加強提供參考依據。

三體船；碰撞位置；有限元法；強度計算

三體船與剛形體碰撞產生的撞擊力與多種因素相關，比如碰撞位置、船舶噸位、碰撞方向、運行速度、水的作用、剛體截面形狀和尺寸等。即使是撞擊相同的剛體，不同的撞擊條件下所得到的船撞力大小也各有不同。本文主要研究不同碰撞位置對高速三體船碰撞性能的影響，分析碰撞過程中三體船在結構損傷變形、位移、速度、碰撞力和船體結構能量吸收等方面上的性能，然后對三體船連接橋區域提出結構優化方案，并對比了結構優化前三體船的碰撞性能，研究了三體船連接橋結構優化對三體船碰撞性能的影響。

1 位置參數對三體船碰撞性能的影響

1.1 三體船碰撞參數設置

由于高速三體船由主體、附體以及連接橋組成，所以，在建模過程中考慮到了整船建模。本節進行全船碰撞有限元數值仿真的船舶是7 m高速三體船。船體的有限元模型的單元數為3 652個，節點數為2 698個。利用MSC.Dytran軟件對整船碰撞模型進行數值仿真分析，研究其耐撞性能。假設船舶之間有10 mm的初始距離，船舶以25 kN（12.86 m/s）的初速度，分別以3個不同撞擊位置進行仿真計算。方案Ⅰ表示高速三體船主體撞擊剛性體，方案Ⅱ表示高速三體船附體撞擊剛性體，方案Ⅲ表示高速三體船連接橋區域撞擊剛性體。3個方案的撞擊位置如圖1所示。

三體船采用玻璃鋼材料加工，在MSC軟件中可以直接從材料數據庫中獲得材料數據。對于MSC.Dytran的接觸分析，本文主要運用自適應接觸來模擬三體船的碰撞問題。

1.2 三體船碰撞性能

1．2．1 損傷變形

碰撞發生0.5 s后，高速三體船不同方案下的損傷變形、碰撞結果如圖2所示。

圖1 撞擊位置

從圖2可看出：①撞擊船船首碰撞損傷區域主要集中在受撞區域（方案Ⅰ為主體首部；方案Ⅱ為附體首部；方案Ⅲ為連接橋區域）。隨著撞擊時間的增加，撞擊區域的損傷變形愈加嚴重，撞深隨之增加，損傷區域也隨之變大。②就損傷模式而言，方案Ⅰ的損傷變形以擠壓為主的撕裂和膜拉伸為主，在剛性體的碰撞下產生高應力區，隨后發生拉伸變形超出失效應變而使外板失效破裂，而方案Ⅱ和方案Ⅲ主要以剛性體劃割附體和連接橋而產生的，在受到剛性體碰撞作用下產生屈服、大變形、失穩、斷裂。

圖2 不同方案下的碰撞損傷變形圖

1．2．2 速度及位移

3個不同撞擊位置的碰撞模型計算結束時刻不同方案下的高速三體船速度變化如圖3所示。

圖3 速度-時間變化曲線

從圖3中可以看出，方案Ⅰ中當時間t=0.29 s時的速度為0，三體船碰撞停止。而方案Ⅱ和方案Ⅲ碰撞中，船體附體和連接橋破裂后撞擊船仍具有較高的速度，碰撞損傷繼續發展，由于撞擊船本身質量較大，初始動能巨大，對結構破壞損傷能力較強，損失的動能轉化為船首大面積的變形能。3個不同撞擊位置的碰撞模型計算結束時刻不同方案下的高速三體船位移變化如圖4所示。從圖4中可以看出，3種方案下對于高速三體船的位移變化基本呈現上升趨勢。然而，方案Ⅰ中位移曲線最平緩，方案Ⅱ位移曲線最陡峭，說明方案Ⅰ中剛性體抑制三體船往前航行的作用最大，方案Ⅱ最小，方案Ⅱ中船體仍然以一定速度往前航行。

圖4 位移-時間變化曲線

1．2．3 碰撞力

圖5為不同方案下高速三體船與剛性體之間的碰撞力曲線，從圖5中可以看出以下2點：①不同方案下的碰撞力曲線總體趨勢具有明顯的非線性，呈多峰狀態，且峰值處為船體接觸區域的主要構件失效時刻。②不同位置碰撞引起的碰撞力曲線變化和最大值均有所不同，方案Ⅰ中，t=0.1 s時，碰撞力達到極值7.2×105N，隨著時間的推移，碰撞力逐漸減??；方案Ⅱ中，在t=0.08 s時，碰撞力達到極值0.79×105N；方案Ⅲ中，在t=0.07 s時，碰撞力達到極值6.00×105N。通過計算發現，7 m高速三體船以12.86 m/s速度主體正向撞擊剛性體時碰撞力最大，附體撞擊剛性體時碰撞力最小。

1．2．4 能量吸收

撞擊船內部各構件能量吸收如表1所示。

表1 各構件的吸能匯總

表1反映了高速三體船內部各構件在不同方案下的能量吸收情況，從表1中可以看出以下3點：①在一定的碰撞時間內，不同構件的能量吸收曲線呈現上升趨勢。隨著碰撞的進行，同一構件抵御碰撞的能力逐漸增加，總的變形能也隨之增大。②對表1的數據進行對比研究發現，總吸能方面，方案Ⅰ＞方案Ⅲ＞方案Ⅱ；方案Ⅰ中舷側外板是最主要吸能構件，方案Ⅱ中附體是最主要吸能構件，方案Ⅲ中連接橋是最主要吸能構件。③不同方案下的能量吸收和撞擊位置有著十分重要的關系。

1.3 位置參數對三體船碰撞性能影響小結

不同方案下的碰撞結果比較如表2所示。

表2 不同方案下的碰撞結果比較

在改變不同撞擊位置的方案下，得到其在結構損傷變形、位移與速度、碰撞力以及船結構能量吸收等方面上的性能，結論如下：①撞擊船首碰撞損傷區域主要集中在受撞區域。②方案Ⅰ中，當時間t=0.29 s時，速度為0，三體船碰撞停止。而方案Ⅱ和方案Ⅲ碰撞中，船體附體和連接橋破裂后撞擊船仍具有較高的速度，碰撞損傷繼續發展。3種方案下對于高速三體船的位移變化基本呈現上升趨勢。然而，方案Ⅰ中位移曲線最平緩，方案Ⅱ位移曲線最陡峭。③方案Ⅰ中，t=0.1 s時，碰撞力達到極值7.2×105N，隨著時間的推移，碰撞力逐漸減??；方案Ⅱ中，t=0.08 s時，碰撞力達到極值0.79×105N；方案Ⅲ中，在t=0.07 s時，碰撞力達到極值6.00×105N。④總吸能方面，方案Ⅰ＞方案Ⅲ＞方案Ⅱ。方案Ⅰ中，舷側外板是最主要吸能構件，方案Ⅱ中附體是最主要吸能構件，方案Ⅲ中連接橋是最主要吸能構件，不同方案下的能量吸收跟撞擊位置有著十分重要的關系。

2 優化連接橋結構

2.1 優化方案

作為提高船舶抗撞能力的措施，本文提出了一種新的耐撞結構形式設計——加強連接橋內部橫隔板，即在連接橋內部增加2道橫隔板，即在#5和#9肋位上，內部增加2道橫隔板。

2.2 連接橋結構優化后碰撞性能

圖6 連接橋結構加強后碰撞性能分析

本節針對連接橋進行了結構加強，碰撞參數為連接橋與剛性平臺正面碰撞，撞擊速度為12.86 m/s，其他碰撞參數不變。連接橋結構加強后碰撞性能分析如圖6所示。

圖6反映了在連接橋結構加強后高速三體船碰撞性能，從圖6中可以看到：①從圖6（a）中看到連接橋結構加強后的損傷變形范圍同樣有所減小，這意味著增加2道橫隔板增加了附體與連接橋之間內部構件抵御變形的能力，改變了整體結構的吸能能力。②從圖6（b）中看到碰撞是一個非常短時間內發生的動力沖擊，從碰撞開始到沖擊速度為0僅持續了0.25 s，連接橋橫隔板結構局部加強對碰撞持續的時間的影響不大，僅僅對過程中碰撞速度有影響。③從圖6（c）中看到結構加強后三體船位移量小于未加強前的位移量。由此可見，結構加強后的連接橋橫隔板改變了變形損傷模式與吸能特性，使其抗撞潛能得以進一步發揮，從而減小了撞擊力度。④從圖6（d）中看到結構加強對抗撞性能的分析主要看到連接橋破裂的時刻。連接橋結構在時間大約為0.07 s時破裂，而未加強的三體船在0.04 s時連接橋破裂，即加強后三體船的抗撞能力主要表現在它推遲了甲板的破裂，增加了整船的抵御碰撞的能力。

表3列出了結構加強后高速三體船各構件的構件吸能能力情況。對照表1可以看出，加強后的結構設計改變了碰撞局部的吸能壓力。比如橫隔板，其與常規的船體結構相比，吸能比例有所增加（增加了8%）。這是由于橫隔板結構增加的結構設計使結構損傷變形迅速擴大到了一定程度，從而降低了附體和內部其他構件的吸能能力。

表3 各構件的吸能匯總

3 結束語

本文首先研究不同碰撞位置對高速三體船碰撞性能的影響，然后增加了三體船連接橋的橫隔板，并對比結構優化前后三體船的碰撞性能，可以得出以下結論：①能量吸收與撞擊位置有著十分重要的關系，附體正面撞擊時結構的吸能最少、碰撞力最大，這種情況下對船體結構的損傷最嚴重；②連接橋加強后三體船的抗撞能力主要表現在它推遲了甲板的破裂，增加了整船抵御碰撞的能力；③連接橋加強前后單從吸能角度來講，橫隔板數量的變化增加了整船吸能，從而增強了三體船抵御碰撞的能力。

［1］黃毅銘.船舶舷側新型耐撞結構研究［D］.鎮江：江蘇科技大學，2014.

［2］王君杰，宋彥臣，卜令濤.橋墩船撞力時間過程概率模型［J］.公路交通科技，2014（01）.

〔編輯：張思楠〕

U674.951

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.013

2095-6835（2017）15-0013-04