江海聯(lián)運(yùn)船舷側(cè)防撞結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

張 媛，徐 鵬，李 磊，謝永和，3

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島 266100；3.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316022）

江海聯(lián)運(yùn)船舷側(cè)防撞結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

張 媛1，徐 鵬1，李 磊2，謝永和2，3

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島 266100；3.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316022）

江海聯(lián)運(yùn)應(yīng)為貨物不經(jīng)中轉(zhuǎn)，由同一條船完成江河與海洋的運(yùn)輸?shù)娜踢\(yùn)輸方式，在我國(guó)主要應(yīng)用于長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲地區(qū)。這種運(yùn)輸方式具有減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)，縮短運(yùn)輸周期的優(yōu)點(diǎn)。但江海聯(lián)運(yùn)船的往往操縱性較差，在江河的狹窄環(huán)境的航行中容易造成船舶間的碰撞。一般船舶發(fā)生碰撞時(shí)船舷部分的損壞最為嚴(yán)重。本文主要是針對(duì)江海聯(lián)運(yùn)45 000 DWT散貨船進(jìn)行船舷防撞結(jié)構(gòu)方案與結(jié)構(gòu)形式的研究。探討江海聯(lián)運(yùn)45 000 DWT散貨船不同區(qū)域船體結(jié)構(gòu)形式的防撞能力，研究該船在碰撞過程中舷側(cè)的損傷情況，進(jìn)而完成船體舷側(cè)防撞結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。

江海聯(lián)運(yùn);散貨船;碰撞;結(jié)構(gòu)改進(jìn)

江海聯(lián)運(yùn)船是一類既適應(yīng)海洋區(qū)域的航運(yùn)環(huán)境，也適應(yīng)江河區(qū)域的航運(yùn)環(huán)境的新船型。此種船型實(shí)現(xiàn)了近海內(nèi)河航運(yùn)一體化的效果，節(jié)省運(yùn)輸時(shí)間和成本。隨著目前江海聯(lián)運(yùn)船型的開發(fā)，針對(duì)此種船型的研究不斷深入，且此種船型的應(yīng)用日漸廣泛，在長(zhǎng)江航運(yùn)和杭州灣海域及珠江海域的運(yùn)輸中占有一定的比重。由于江海聯(lián)運(yùn)船航行環(huán)境的復(fù)雜性和船舶碰撞的危險(xiǎn)后果，江海聯(lián)運(yùn)船的碰撞分析問題和船型優(yōu)化具有很重要的研究意義[1]。

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)船舶碰撞做了大量的工作，其中上海交通大學(xué)的顧永寧等[2]對(duì)船舶碰撞進(jìn)行仿真分析，證明了非線性有限元數(shù)值計(jì)算方法對(duì)碰撞問題的可行性。高嵩等[3]運(yùn)用MSC.dytran程序建模計(jì)算，分析得出小型艇的舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞損傷特性。溫小飛等[4]對(duì)船舶碰撞過程從模型試驗(yàn)和局部結(jié)構(gòu)試驗(yàn)等研究方法對(duì)船舶碰撞進(jìn)行了介紹和討論。

1 仿真模型

本文主要是針對(duì)江海聯(lián)運(yùn)45 000 DWT散貨船進(jìn)行防撞結(jié)構(gòu)方案與結(jié)構(gòu)形式的研究，探討江海聯(lián)運(yùn)45 000 DWT散貨船不同區(qū)域船體結(jié)構(gòu)形式的防撞能力，研究該散貨船在實(shí)際碰撞過程中不同結(jié)構(gòu)處的損傷性能，對(duì)45 000 DWT散貨船在實(shí)際航行中的碰撞事故進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)該船不同結(jié)構(gòu)形式的抗撞能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成船體防撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5]。

1.1 計(jì)算方法

本次分析中使用的軟件是MSC Software公司的MSC.Dytran非線性有限元程序。MSC.Dytran[6]是專門用于高速瞬態(tài)非線性動(dòng)力問題和瞬態(tài)流固耦合問題的數(shù)值仿真軟件，該軟件程序采用顯式方法，能夠模擬各種材料和幾何非線性，特別適合于分析包含大變形、高度非線性和復(fù)雜動(dòng)態(tài)邊界條件的短暫的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過程[7]。通過模擬船舶航行過程中的碰撞事故，研究碰撞過程中船體的損傷情況，評(píng)估船舶的抗撞性能[8]。

兩船發(fā)生側(cè)向?qū)χ写怪迸鲎?。撞擊船為多用途船，被撞船?5 000 DWT散貨船，主尺度為L(zhǎng)=192.0 m、B=32.26 m、D=15.4 m、d=10.5 m、Cb=0.852 1。被撞船建立全船有限元模型，撞擊船采用建立簡(jiǎn)化的有限元模型，其船首和球鼻首部分采用細(xì)化的網(wǎng)格，對(duì)其余遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的部分進(jìn)行簡(jiǎn)化[9]，兩船相撞處建一個(gè)網(wǎng)格細(xì)化的剛性撞擊半球。

1.2 撞擊船與被撞船的附連水質(zhì)量

本文以45 000 DWT散貨船為研究對(duì)象，多用途船為撞擊船。撞擊船分別以2、10 m/s的速度撞擊散貨船的貨艙附近和艙壁附近。撞擊時(shí)兩船均處于正浮狀態(tài)，且均處于無動(dòng)力狀態(tài)。被撞船主要發(fā)生橫蕩運(yùn)動(dòng)，撞擊船主要發(fā)生縱蕩運(yùn)動(dòng)。MINORSKY[9]總結(jié)的橫蕩運(yùn)動(dòng)的附連水質(zhì)量為mx=0.4 m。MOTORA[10]總結(jié)的縱蕩運(yùn)動(dòng)的附連水質(zhì)量為my=0.04 m。

1.3 材料特性與材料應(yīng)變率

本船的材料為船用結(jié)構(gòu)鋼。材料的本構(gòu)模型選為強(qiáng)化彈塑性材料；屈服模型選用雙線性模型；具體參數(shù)為：密度ρ=7.8×103kg/m3，模量，泊松比μ=0.3，硬化模量Eh=1.18 GPa，屈服應(yīng)力σ=235 MPa。材料失效準(zhǔn)則采用最大塑性應(yīng)變作為材料的破壞準(zhǔn)則，最大塑性應(yīng)變?nèi)ˇ舖ax=0.3。

本文中材料應(yīng)變率的敏感性滿足Cowpersymonds本構(gòu)方程[10]：

式中，σ′0是在塑性應(yīng)變率ε&時(shí)的動(dòng)屈服應(yīng)力，σ0是靜屈服應(yīng)力，D和q對(duì)于具體材料來說是常數(shù)。對(duì)船用鋼而言，強(qiáng)化參數(shù)D=40.4和粘性參數(shù)q=5。

1.4 計(jì)算工況

實(shí)際的船舶碰撞中，考慮到舷側(cè)的損傷情況，以某多用途工作船垂直撞擊45 000 DWT散貨船貨艙部分為例，研究該散貨船航行狀態(tài)下發(fā)生碰撞事故的損傷情況，為后面“江海聯(lián)運(yùn)系列船舶”防撞結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和防撞結(jié)構(gòu)形式的研究提供依據(jù)，計(jì)算工況見表1，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 多用途工作船撞擊45 000 DWT散貨船艙段有限元模型示意圖Fig.1 The model of Multi Purpose ship impact 45 000 DWT Bulk Carrier

表1 碰撞損傷計(jì)算工況Tab.1 Loadcases of collision damage

根據(jù)以上工況的計(jì)算結(jié)果，針對(duì)該類型散貨船船體結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，探討新型船體結(jié)構(gòu)形式對(duì)抗碰撞性能的影響，提出改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式的建議，減小船舶碰撞事故帶來的損失。工況3為原船體結(jié)構(gòu)形式的碰撞模擬。工況4為將舷側(cè)上弱框架肋骨厚度適當(dāng)較小，強(qiáng)框架厚度不變，并沿船長(zhǎng)方向敷設(shè)扁鋼，保持用鋼量基本不變[11]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。工況5為將舷側(cè)上弱框架肋骨厚度適當(dāng)減小，強(qiáng)框架不變，沿船長(zhǎng)方向敷設(shè)T型鋼材，保持用鋼量基本不變[12]，結(jié)構(gòu)如圖3所示，工況對(duì)應(yīng)的新型結(jié)構(gòu)見表2。

表2 新型防撞結(jié)構(gòu)計(jì)算工況Tab.2 Loadcases of new anti-collision structures

圖2 新型結(jié)構(gòu)一艙段有限元模型示意圖Fig.2 The figure of first new anti-cillision structure

圖3 新型結(jié)構(gòu)二艙段有限元模型示意圖Fig.3 The figure of second new anti-cillision structure

2 計(jì)算結(jié)果

LC1-LC2計(jì)算結(jié)果見表3，LC3-LC5見表4，LC1、LC2、LC4和LC5碰撞變形圖如圖4～7。

表3 模擬碰撞損傷結(jié)果Tab.3 The results of collision demage

表4 新型防撞結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果Tab.4 The results of anti-collision structures

圖4 LC1變形損傷示意圖Fig.4 The displacement of LC1

圖5 LC2變形損傷示意圖Fig.5 The displacement of LC2

圖6 LC4變形損傷示意圖Fig.6 The displacement of LC4

圖7 LC5變形損傷示意圖Fig.7 The displacement of LC5

3 結(jié)論

（1）對(duì)碰撞接觸面面積相對(duì)船體結(jié)構(gòu)面積較小的碰撞事故，碰撞損傷僅發(fā)生局部破壞，碰撞事故對(duì)遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)影響較小。因而針對(duì)易被撞擊區(qū)域進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，對(duì)船體抗撞性能的提高非常必要。

（2）比較兩種新型防撞結(jié)構(gòu)，工況4顯示抗撞性能有所提高，損傷變形減小20%以上。工況5計(jì)算結(jié)果較為理想，最大應(yīng)力和變形都有減小，其中損傷變形減小40%?？梢姷谌N的舷側(cè)結(jié)構(gòu)不僅滿足整體強(qiáng)度要求，更能提高抵抗其他結(jié)構(gòu)物的撞擊能力,為最有效的改進(jìn)模式。

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The Research of River-to-sea Bulk Carrier Anti-collision Structure

ZHANG Yuan1,XU Peng1,LI Lei2,et al
(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022; 2.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

River-to-sea transportation refers to transporting goods without transit,by the same ship to complete the transport through the river and the sea,which is mainly applied in the Yangtze River Delta and Pearl River Delta region in China.This mode of transport has advantages of reducing the transport links, shorten the delivery cycle.But the river-to-sea ships are often poor handled in the river,and it’s easy to cause collision problems in narrow channels.This paper is mainly about anti-collision structure scheme and structure form for the river sea through transport of 45 000 DWT bulk carrier,to explore the anti-collision ability of 45 000 DWT bulk carrier hull structure of different regions,to study the damage of the bulk carrier in the actual process of collision,and then complete the optimization of anti-collision structure.

river-to-ship transportation;bulk carrier;collision;structure optimization

U661

A

1008－830X(2015)05－0457－04

2015-01-15

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2012DFR80170）

張媛（1991-），女，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向：船舶強(qiáng)度與船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化.E-mail:zhangyuanzjou@163.com