船橋碰撞結(jié)構(gòu)損傷及船撞力影響因素分析

張愛鋒，劉少康，姚苗苗，甄春博

(大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

0 引 言

船舶與橋梁作為兩類水上結(jié)構(gòu)物，一旦發(fā)生碰撞事故，可能造成巨大經(jīng)濟損失，威脅人命安全等極為嚴(yán)重的后果[1]。船橋碰撞是一個低速高能，并伴隨著高度非線性產(chǎn)生的極其復(fù)雜過程[2]。若采用試驗方法研究船橋碰撞情況會耗費大量人力物力，是不現(xiàn)實的，各界學(xué)者將有限元仿真技術(shù)運用于船橋碰撞力學(xué)問題研究，取得了較為滿意的結(jié)果。

王自力等[3]在分析船舶碰撞問題時，說明采用附加質(zhì)量法替代流固耦合法來處理周圍流體對碰撞作用的可行性，指出附加質(zhì)量法大大降低計算成本，并可得出較為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果；Z. Q. HU等[4]比較各噸位船舶在2、4、6 m/s 3種船速下船撞力差異，得到撞擊船噸位大小對船橋碰撞力具有顯著影響；Y. Y. SHA等[5]分析駁船撞擊剛性材料、彈性材料、非線性材料3種單橋墩模型的撞擊力和船艏撞深的差異，結(jié)果表明，橋墩在船橋碰撞過程中的非線性響應(yīng)及損傷不可忽略，證明選用非線性材料模擬橋墩的仿真結(jié)果更為真實可靠；左玉強[6]通過調(diào)整船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的厚度來改變船舶剛度，得出船舶剛度增加，船橋碰撞力隨之增加，而船橋碰撞接觸時間降低，通過改變船舶初始航速，船速增加會導(dǎo)致船艏撞深和橋墩損傷面積的增加；宗莉娜等[7]通過分析整個船頭、整個球鼻艏、部分球鼻艏正碰剛性墻的3種工況，指出隨著碰撞接觸面積增大，撞擊力峰值上升，但接觸時間下降；張景峰等[8]比較駁船與散貨船兩類典型船舶與橋梁發(fā)生碰撞的撞擊力值，計算結(jié)果表明，在相同船舶載況及航行速度下，駁船最大碰撞力遠大于散貨船最大碰撞力；張哲等[9]利用動力數(shù)值模擬技術(shù)和有限元技術(shù)對船橋碰撞問題進行分析，得出后者計算準(zhǔn)確性提高11%，進一步證明使用有限元仿真技術(shù)分析船橋碰撞問題的可行性與準(zhǔn)確性；Y. L. WAN等[10]通過縮尺實驗和有限元仿真模擬，為橋墩抗船撞性能設(shè)計提供依據(jù)。

筆者建立6600DWT貨船和橋墩碰撞仿真模型，首先選取一種典型工況研究船橋碰撞能量轉(zhuǎn)化問題，分析船舶初始航速、船艏撞深、應(yīng)力應(yīng)變等結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨時間變化的規(guī)律。然后分別考慮船舶初始航速、船舶載況、撞擊角度、橫向偏移距、橋墩截面形式5個影響因素對船橋碰撞力及碰撞接觸時間的影響，分析各個影響因素對船撞力影響程度。

1 碰撞理論及有限元建模

1.1 船橋碰撞非線性有限元控制方程

基于顯式求解方法的船橋碰撞運動方程可以表示為：

(1)

1.2 船橋碰撞接觸設(shè)置

由于船、橋發(fā)生碰撞的接觸區(qū)域可以預(yù)知，故使用自動面與面接觸算法，靜、動摩擦系數(shù)取0.3。船體自身結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的接觸形式和接觸范圍難以預(yù)知，故采用效率較高的自動單面接觸，靜、動摩擦系數(shù)取0.25。

1.3 船舶有限元建模

船舶周圍流體運動是整個船橋碰撞過程中不可忽視的影響因素之一。附加質(zhì)量法是通過增加船體質(zhì)量的形式來模擬流體介質(zhì)對仿真碰撞的影響。采用此方法不僅可以大量縮短仿真時間，而且所得結(jié)果較為可信。筆者以增加船體密度的方式，選取0.04倍船體質(zhì)量為附加水質(zhì)量增加到船舶有限元模型總質(zhì)量之中，模擬流體對碰撞作用產(chǎn)生的影響[11]。

選取某6600DWT直立艏貨船為研究對象，其主尺度參數(shù)見表1。

表1 船舶主尺度

船橋碰撞作為一個高度非線性問題，需采用塑性動態(tài)模型來模擬船用低碳鋼材料。使用Cowper and Symonds模型來反映船體鋼材應(yīng)變速率效應(yīng)，即：

(2)

1.4 船橋碰撞有限元模型

船艏碰撞區(qū)域有限元模型的精確建立直接決定分析結(jié)果的可靠性。建立船艏內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1，船橋碰撞有限元模型如圖2。

圖1 船艏內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 船橋碰撞有限元模型

2 典型工況仿真計算

運用非線性有限元仿真技術(shù)，對6600DWT直立艏貨船以3 m/s初始航速正碰方形橋墩的過程進行數(shù)值模擬。

2.1 能量時程曲線

由各能量隨時間變化相互轉(zhuǎn)換關(guān)系(圖3)可知，碰撞過程中，系統(tǒng)總能量幾乎不隨時間推移而改變，始終遵循能量守恒定律；沙漏能始終較小，證明該仿真結(jié)果合理、可靠。發(fā)生船橋碰撞前，只有船舶動能；碰撞后，各能量之間相互轉(zhuǎn)化，動能主要轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。

圖3 能量時程曲線

2.2 各部分吸能分布

船橋碰撞接觸時間約為1.4 s，碰撞結(jié)束后，船舶反向遠離橋墩，各能量之間的轉(zhuǎn)化趨于穩(wěn)定。綜合考慮碰撞位置及樣本數(shù)量等因素，將整個船橋碰撞系統(tǒng)分為船艏外板、船艏甲板、船艏骨架、船體其余部分、橋5個部分。分別計算在1.45 s時，各部分內(nèi)能占總內(nèi)能比例，如圖4。

圖4 各部分內(nèi)能占總內(nèi)能比例

船橋碰撞發(fā)生后，約90%的總能量轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)能，其中船艏部分吸收內(nèi)能占據(jù)總內(nèi)能的99%以上，橋墩及船身部分的吸能極少。由此可知，船舶初始動能主要轉(zhuǎn)變成船舶艏部結(jié)構(gòu)的內(nèi)能，即船艏塑性變形能，艏部結(jié)構(gòu)損傷較大，船橋碰撞問題表現(xiàn)出很強的局部性。

2.3 船舶航速時程曲線

發(fā)生船橋碰撞后，船舶的動能逐步降低，船舶航速不斷下降。船速隨時間變化的曲線如圖5。0.9 s時，船速降至0 m/s，船橋碰撞過程進入卸載階段；1.1 s后，船速降至穩(wěn)定的-0.32 m/s，船舶被反彈回去遠離橋墩，表明船橋碰撞接觸過程已充分完成，同時說明接觸碰撞后，船舶還存在一定的動能，與圖3中動能隨時間變化曲線相符。

圖5 船舶速度時程曲線

2.4 船舶撞深時程曲線

船橋碰撞時，船艏結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，船艏接觸區(qū)域被壓入船體的損壞尺度即為撞深，其隨時間變化規(guī)律如圖6。

船橋碰撞接觸時，船艏碰撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)開始損壞，船舶撞深迅速增加。發(fā)生碰撞0.935 s，即船速降至0 m/s時，撞深達到最大值1.298 m。此后，船橋碰撞進入卸載階段，碰撞力急劇下降，船舶撞深出現(xiàn)了小幅度回彈，最終船舶離開橋墩。船橋碰撞卸載完成后，船艏結(jié)構(gòu)存在穩(wěn)定撞深1.248 m。

2.5 船舶應(yīng)力、應(yīng)變時序云圖

船橋碰撞發(fā)生后，通過von Mises應(yīng)力云圖可快速確定模型中最危險區(qū)域，如圖7。船舶結(jié)構(gòu)損傷發(fā)展過程與塑性變形同時發(fā)生，其演化規(guī)律相互耦合。通過船舶有效塑性應(yīng)變云圖(圖8)分析船舶結(jié)構(gòu)損傷情況。

圖7 船舶von Mises應(yīng)力云圖

碰撞初期von Mises應(yīng)力值較大，船艏與橋墩發(fā)生碰撞區(qū)域超過了船舶材料低碳鋼的屈服強度，船艏碰撞區(qū)域發(fā)生塑性變形。隨著時間的推移，船艏撞深逐漸增加，參與接觸碰撞區(qū)域面積逐漸增大。隨著船橋碰撞力下降，船舶von Mises應(yīng)力逐漸下降。在整個碰撞過程中，遠離碰撞區(qū)域的船中貨艙段和船尾部分的應(yīng)力、應(yīng)變遠小于船艏碰撞區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變，船舶結(jié)構(gòu)碰撞損傷呈現(xiàn)出較強的局部性。

圖8 船舶有效塑性應(yīng)變云圖

3 船橋碰撞力影響因素研究

船橋碰撞力受多方面因素影響存在較大差異，船舶初始航速、船舶載況、船橋碰撞角度、船舶橫向偏移距、橋墩截面形式等各影響因素均對船橋碰撞力學(xué)問題造成較大影響。

3.1 不同撞擊速度對碰撞力的影響

船舶滿載狀態(tài)下，以1、2、3、4、5 m/s的速度正碰橋墩示意如圖9，船橋碰撞力隨時間變化規(guī)律如圖10。

圖9 不同速度下船橋碰撞示意

由圖10可知，船舶與橋墩發(fā)生接觸碰撞初期，撞擊力立即上升到一個較大值。由于船體結(jié)構(gòu)在整個接觸碰撞過程中不斷發(fā)生破壞，撞擊力時程曲線呈現(xiàn)出多個波峰、波谷，具有較強的非線性波動特性，船舶航速越高，非線性波動特性越明顯。接觸碰撞發(fā)生一定時間后，船舶動能逐步轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，船速逐漸下降至一個較小的負值，船舶反彈遠離橋墩，碰撞力降低至零，碰撞結(jié)束。

圖10 不同船速下撞擊力時程曲線

根據(jù)圖10繪制各個船舶航速下撞擊力峰值和碰撞接觸持續(xù)時間，見表2。

表2 船速變化對船橋碰撞的影響

船橋碰撞撞擊力峰值隨船速的增加而增大，但兩者變化趨勢并非呈簡單線性關(guān)系。船橋碰撞接觸持續(xù)時間也隨船速增加而逐漸增加，對船舶和橋梁的損傷更大。

3.2 船舶載況對碰撞力的影響

圖11為船舶空載或滿載狀態(tài)下，船速均為3 m/s，正撞橋墩時的撞擊力隨時間變化的規(guī)律曲線，其中空載狀態(tài)下，船舶空載排水量與附加水質(zhì)量總和為1 292.3 t。

圖11 不同載況下的撞擊力時程曲線

接觸碰撞初期，船舶滿載和空載狀態(tài)下的船撞力增加趨勢一致。但在0.057 s時，空載狀態(tài)下的船撞力時程曲線達到最大值41.696 MN后便立即下降，碰撞接觸時間僅為0.180 s，遠小于滿載狀態(tài)下的1.408 s，且曲線波動性明顯減弱，船舶和橋梁結(jié)構(gòu)損傷大大降低。

3.3 碰撞角度對碰撞力的影響

船橋碰撞問題中，船舶航行方向與船長方向保持一致，碰撞角度定義為墩柱法線方向與船舶航行方向之間的夾角α，其示意如圖12。

圖12 不同角度下船橋碰撞示意

現(xiàn)選取0°，15°，30°，45°，60°共5種工況進行對比分析得到圖13。圖13表示相同船速及載況時，碰撞角度改變對撞擊力的影響。碰撞角度越大，撞擊力峰值和均值越小，碰撞接觸時間卻增加。當(dāng)船舶斜向撞擊橋墩，碰撞加載結(jié)束后，船舶后退過程中會和橋墩發(fā)生剮蹭，產(chǎn)生一個較小的撞擊力，此時船艏外板破口處會出現(xiàn)進一步撕裂，破口區(qū)域面積進一步增大，對船舶造成一定程度的破壞。

圖13 不同角度下的撞擊力時程曲線

3.4 不同船舶橫向偏移距對碰撞力的影響

實際發(fā)生船橋碰撞情況時，船舶很難與橋墩中心線發(fā)生正面碰撞，通常情況下存在一定的橫向偏移距離d，如圖14。

圖14 不同船舶橫向偏移距下船橋碰撞示意

當(dāng)橫向偏移距離逐漸增加時，船舶碰撞接觸位置逐漸由船艏過渡到舷側(cè)結(jié)構(gòu)，船舶被撞位置變化可能導(dǎo)致撞擊力變化。分別取橫向偏移距離d為0、1、2、3、4、5、6 m進行有限元計算，得到不同橫向偏移距下的撞擊力時程曲線，如圖15。

圖15 不同橫向偏移距下的撞擊力時程曲線

在不同船舶橫向偏移距下，撞擊力時程曲線出現(xiàn)顯著變化。隨著偏移距離的增加，撞擊力峰值下降顯著，碰撞接觸時間有所增加。

3.5 橋墩截面形式對碰撞力的影響

橋墩不同截面形式會對船橋碰撞作用產(chǎn)生影響。選取較常見的方形、圓端形、圓柱形橋墩形式(圖16)，對船橋碰撞力學(xué)問題展開分析。

圖16 橋墩截面形式

由數(shù)值模擬方法得到表3和圖17。由表3和圖17 可知，橋墩截面形式不同會導(dǎo)致不同的船舶撞擊力。船舶與方形橋墩碰撞產(chǎn)生撞擊力峰值最大，碰撞接觸時間最短；圓端形橋墩次之；與圓柱形橋墩碰撞產(chǎn)生撞擊力峰值最小，碰撞接觸時間最長。

表3 不同橋墩截面形式對船橋碰撞的影響

圖17 不同橋墩截面形式下的撞擊力時程曲線

由上述分析可知，橋墩截面形式對船撞力大小產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)與方形橋墩碰撞時，撞擊力最大，情況最危險，實際工程中采用何種橋墩形式還與建造工藝等其它因素相關(guān)。

4 結(jié) 論

船橋碰撞是極其復(fù)雜的過程，筆者采用非線性數(shù)值仿真方法分析直立艏貨船與橋墩碰撞力學(xué)問題。通過設(shè)置多個影響因素、多組工況研究船橋碰撞規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)船橋碰撞過程中，船舶初始動能逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榇純?nèi)能，即艏部結(jié)構(gòu)塑性變形能。橋墩及船身部分吸能較少，可忽略。碰撞事故發(fā)生后，船艏碰撞區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，碰撞損傷呈現(xiàn)出較強的局部性。

2)直立艏貨船和橋墩發(fā)生接觸碰撞會產(chǎn)生較大撞擊力值。碰撞過程中，船艏結(jié)構(gòu)不斷損壞，撞擊力時程曲線表現(xiàn)出較強的非線性和波動特征。

3) 考慮了船舶初始航速、船舶載況、船橋碰撞角度、船舶橫向偏移距、橋墩截面形式的影響?？傮w上，撞擊力峰值與船舶航速和載重呈正相關(guān)，而與碰撞角度和橫向偏移距離呈負相關(guān)。此外，船舶與方形橋墩撞擊力最大，圓端形橋墩撞擊力次之，圓柱形橋墩撞擊力最小。