船舶碰撞带来的后果一般都是灾难性的, 既危及人的生命安全和财产安全, 同时也给环境带来了沉重负担

。因此, 船舶耐撞性研究逐渐成为热点。Minorsky提出了一种外部动力学的理论方法来估计结构失效后的

释放能量与船舶初始动能之间的关系, 但是该研究仅限于发生在船体中部和直角的碰撞情景[1]。为了突破

这种局限, Petersen进行了第一次能够处理沿船长任意位置的二维倾斜碰撞的时域模拟, 提出了附加质量

法进行船舶碰撞分析[2]。而Tabri、Pedersen和Zhang等研究人员对耦合和非耦合数值方法进行了比较, 研

究船舶运动与船舶耐撞性之间的耦合影响[3,4]。随着研究的深入, 张金军等学者针对典型的船舶结构, 研

究失效准则对碰撞仿真分析结果的影响, 提出了碰撞的数值意义[5]。胡志强等建立撞击船、被撞船以及水

域的有限元模型, 成功解决了撞击船与被撞船的碰撞关键技术[6]。总体而言, 上述研究取得了丰富成果,

但对于不同撞击位置、不同撞击角度和不同撞击速度对中小船型的船舶耐撞性能研究为数不多, 本文以2

200 t级交通船为研究对象, 利用有限元软件建立碰撞模型, 基于附加质量法研究交通船不同位置结构耐撞

性能, 为更加准确地预报不同碰撞角度、不同碰撞速度下的被撞船结构响应提供参考。

1 碰撞参数介绍
2 200 t级交通船主要参数包括:总长约112.00 m, 设计水线长104.00 m, 型宽13.50 m, 型深6.20 m, 设计

吃水3.95 m, 梁拱0.20 m, 满载排水量约2 200 t, 肋距0.50 m, 甲板有3层, 其中FR91-FR161为机舱区域

。以船首区域有限元模型为例, 被撞船取全船有限元模型, 其中目标撞击区域船首向后延伸至横舱壁且不

小于0.33倍船长的纵向范围、内外舷板之间的横向范围、型深的垂向范围内的所有结构构件均应真实模拟

。如图1所示, 撞击船取全船有限元模型, 其中防撞舱壁向船首的纵向范围、船宽的横向范围、型深的垂向

范围内的所有结构构件均应真实模拟。

 图1 不同撞击区域下被撞船的有限元模型
图1 不同撞击区域下被撞船的有限元模型   下载原图

假定撞击船与被撞船相当, 撞击船的附连水质量取撞击船总重量的0.05倍。被撞船的附连水质量根据与撞

击船的夹角大小确定。90°碰撞时, 被撞船的附连水质量取被撞船总重量的0.85倍。撞击船以速度v0撞向

被撞船, 撞击位置取目标撞击区域内中间两横向强框架中线和纵向两强框架中线的交点, 逐步调整v0的大

小, 直至被撞船的外板破裂。材料采用线性强化弹塑性模型, 考虑材料应变率敏感性, 材料密度为

7.85×103kg/m3, 弹性模量为2.10×1011 N/m2, 屈服应力为3.45×108 N/m2, 泊松比为0.3, 最大塑性失

效应变为0.3, Cowper—Symonds本构方程中两个常数分别为D=40.4, q=5。撞击区域的网格尺寸和单元失效

应变按照100 mm来选取, 其它区域的网格尺寸可适当加大。本文使用了主从接触和自身接触, 摩擦系数定

义为0.3, 撞击船和被撞船处于全自由状态。

2 不同被撞区域耐撞性能分析
2.1 碰撞方案
本节主要研究2 200 t级交通船不同撞击位置、不同撞击角度和不同撞击速度对交通船耐撞性影响, 具体碰

撞方案如表1所示。

表1 不同撞击位置、角度和速度下的碰撞方案     下载原表

 表1 不同撞击位置、角度和速度下的碰撞方案
2.2 碰撞分析
在对被撞船首部、机舱和尾部被撞区域仿真计算时, 考虑了材料的动态特性, 即应变率敏感性及摩擦力的

影响。在此基础上, 进一步考察了撞击参数 (区域、速度和角度等) 对被撞船结构碰撞特性的影响问题。

(1) 研究交通船首部、机舱和尾部结构的碰撞是一个复杂的瞬态响应过程, 用非线性有限元技术可以对其

进行成功的数值仿真, 可计算出每一具体构件直至失效的损伤变形过程。

(2) 舷侧结构的碰撞损伤变形具有非常明显的局部性, 损伤区域的大小和形状主要取决于撞头与撞击角度

。正面碰撞引起的舷侧结构整体变形很小, 而在小角度碰撞下变形区域就很大, 范围也较广。损伤变形主

要发生在被撞船舷侧的撞击区域。撞击船的动能损失主要转化撞击船和被撞船的塑性变形能, 另外还有一

小部分转化为沙漏能而损耗。

(3) 当2 200 t级交通船以不同角度撞击被撞船首部、机舱和尾部区域时, 被撞船的变形范围随着撞击速度

的增加而变大。如表2所示, 通过整体和局部应力结果可以发现, 撞击船以2 m/s和4 m/s撞击被撞船时, 被

撞船的舷侧外板和内部结构出现不同程度的破损情况。方案A1和A2中被撞船碰撞区域没有出现破损, 其中

方案A2 (20-4) 中被撞船碰撞区域最大变形达到0.15 m。方案A3-A6中, 被撞船碰撞区域均出现破损, 损伤

面积最大为0.19 m2, 破损出现在舷侧外板、强肋骨、舷侧纵骨等主要结构上, 其他构件发生变形而未破损

, 仍旧能够保证首部的安全性。方案B1中被撞船碰撞区域没有出现破损, 其中方案B1 (20-2) 中被撞船碰

撞区域最大变形达到0.19 m。方案A2-A6中, 被撞船碰撞区域均出现破损, 损伤面积最大为0.35 m2, 破损

出现在舷侧外板、强肋骨、舷侧纵骨等主要结构上, 其他构件发生变形而未破损, 可见在低速小角度下撞

击机舱区域才不会破损。方案C1、C3和C5中被撞船碰撞区域没有出现破损, 其中方案C5 (135-2) 中被撞船

碰撞区域最大变形达到0.498 m。方案C2、C4和C6中, 被撞船碰撞区域均出现破损, 损伤面积最大为0.27

m2, 破损出现在舷侧外板、强肋骨、舷侧纵骨等主要结构上, 其他构件发生变形而未破损。从整体上来看,

在相同速度和相同撞击角度下首部区域破损的范围和面积最大, 尾部区域破损的范围和面积最小, 这主要

跟交通船不同区域下的舷侧结构强度有关系。

表2 被撞船破损情况     下载原表

 表2 被撞船破损情况
(4) 撞击船的初始速为2 m/s和4 m/s, 而被撞船碰撞前处于静止状态 (速度为零) 。以首部撞击区域为例,

计算终止时撞击船的速度变化比较大, 这意味着撞击船将有很大的动能损失;而被撞船的速度有所增加表明

碰撞开始后, 相当一段时间内被撞船的运动响应才有所体现, 即被撞船也吸收了部分动能。船舶碰撞过程

中撞击船的动能损失将主要转化为被撞船舷侧结构的塑性变形能。撞击参数对2 200 t交通船不同被撞区域

的碰撞特性的影响是多方面、多层次的。撞击速度的影响主要通过被撞船的损伤变形和碰撞力等来体现,

速度越大, 碰撞相应也越大;撞击角度的变化可能产生不同的整体失效时机和能量损耗。为了更好地减小船

舶碰撞损伤变形和结构破坏能力, 撞击船可以采取小角度低速航行。

3 2 200 t级交通船结构加强和避撞措施分析
船舶避碰过程主要包括:发现来船、搜集信息, 根据情况确定安全通过距离, 判断是否要采取避让行动, 确

定采取行动的时机, 确定避让行动的方式和复航。发现来船、搜集信息和确定来船的运动状态等是避碰信

息搜集和处理阶段, 其余部分是避碰行动的决策阶段。预防碰撞事故的主要对策有以下4个方面:改善船舶

航行环境、改善航行技术、提高船舶操纵性性能、提高驾驶员技术水平。本文主要针对2 200 t级交通船进

行碰撞分析, 主要从改变碰撞速度以及碰撞角度研究撞击船与被撞船的碰撞性能。在双方不可避免地发生

碰撞的情况下, 要达到驱赶他船的目的, 可采取以下措施:其一, 由于撞击船和被撞船吨位持平, 在极端情

况下不惧与对方船只发生直接的船体接触。其二, 在需要发生船体接触时, 尽量以小速度、小角度碰擦 (

如20°或135°以上) 为主要形式。在小角度碰擦时, 不管是撞击船还是被撞船, 自身损伤变形都较小, 结

构几乎没有出现破坏失效, 危害既小又可以起到与对方对抗及显示我方态度的目的。其三, 避免垂直 (60

°至120°之间) 撞击的发生, 2 200 t级吨位撞击船吨位较大一方面具有更大的初始动能, 传递到被撞船

上的动能也相应增大;另一方面2 200吨级的干舷高度较高, 甲板和舷侧共同直接受到撞击, 局部区域会受

到更严重的损伤或变形。其四, 在撞击过程中, 速度尽量在4 m/s以下, 船舶结构损伤变形降到最低, 不仅

起到驱赶目的, 同时也保证了撞击船自身结构与船上人员安全;其五, 2 200 t级交通船在撞击过程中, 尽

量使用船首进行撞击, 由于船舶主机在中后方, 应尽量避免中后部发生大能量碰撞, 如外板结构破损, 船

体安全将受到严重影响。

依据对被撞船在不同方案下的损伤变形和吸能情况, 在结构设计过程中, 必要情况下应考虑以下2个加强方

案:一是被撞船的结构损伤变形主要集中在撞击区域, 由于交通船首部均较为瘦削, 碰撞损伤具有局部性,

撞击过程易发生“劈柴效应”, 因此, 在易发生碰撞部位或重要设备放置区域应进行局部结构加强, 如增

加舷侧肋骨数量和尺寸, 增加碰撞高度处的外板厚度等。二是通过计算各构件的吸能特性可知, 碰撞区舷

侧外板及其骨架是结构吸能的主要构件, 因此, 在结构加强中可以提高甲板、舷侧外板厚度或增加中间肋

骨等以提升被撞区域结构强度及刚度, 从而提高交通船在危险工况下的耐撞性能。

4 结束语
利用显式非线性有限元动态分析技术, 对2 200 t交通船首部区域结构的碰撞特性进行了数值仿真研究。从

整体上来看, 在相同速度和相同撞击角度下首部区域破损的范围和面积最大, 尾部区域破损的范围和面积

最小, 这主要跟交通船不同区域下的舷侧结构强度有关系。由于本文主要考虑两条相同吨级船舶之间的碰

撞性能分析, 所以损伤区域主要集中甲板及相连部分区域。然而, 不同吨级船舶在碰撞时碰撞区域可能发

生变化。因此, 需要对甲板以下吃水以上结构进行加强, 从而提高交通船在危险工况下的耐撞性能。