張榮，于有利，石峰，肖曙明，王娜，朱加剛

(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452;2.中國船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

1萬m3LNG運(yùn)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(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452;2.中國船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

以1萬m3內(nèi)河小型LNG運(yùn)輸船為例，探討船舶碰撞數(shù)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(shí)臨界撞擊速度與撞擊角度的關(guān)系曲線，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)典型LNG運(yùn)輸船的安全運(yùn)營給出意見和建議。

LNG運(yùn)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(duì)液化天然氣(LNG)需求的增長加快，LNG海上以及內(nèi)河運(yùn)輸也在快速發(fā)展。由于LNG運(yùn)輸船屬于危險(xiǎn)品船，其與航區(qū)內(nèi)其他船舶的碰撞問題顯得尤其突出。因?yàn)榕鲎彩鹿什粌H會(huì)導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)的損壞，還可能引起泄漏事故從而引發(fā)爆炸、低溫破壞，以及人員中毒等危險(xiǎn)。在全球發(fā)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(duì)LNG船進(jìn)行抗碰撞能力評(píng)估，提高LNG船的抗碰撞能力，增強(qiáng)LNG運(yùn)輸船營運(yùn)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(qiáng)非線性物理現(xiàn)象，涉及到船舶的塑性變形、斷裂、撕開等非線性力學(xué)行為。船舶碰撞的研究經(jīng)過幾十年的發(fā)展，主要有經(jīng)驗(yàn)方法、簡化解析方法、試驗(yàn)方法和有限元數(shù)值仿真方法4種。

1)經(jīng)驗(yàn)方法主要是以Minorsky［2］于1959年根據(jù)26艘實(shí)船碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出的結(jié)構(gòu)變形能與參與變形的結(jié)構(gòu)損傷體積之間的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行船舶碰撞過程中能量吸收的計(jì)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(shè)，建立船舶碰撞分析的數(shù)學(xué)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(jì)算公式。

3)試驗(yàn)方法則是通過實(shí)船試驗(yàn)或縮比模型試驗(yàn)，從試驗(yàn)中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，換算到實(shí)船［3］。

4)有限元數(shù)值仿真方法不僅能夠計(jì)算碰撞區(qū)的結(jié)構(gòu)損傷變形和碰撞力，而且結(jié)合了外部機(jī)理的分析和計(jì)算，可以真實(shí)地模擬碰撞現(xiàn)象，具有解析法無法比擬的優(yōu)勢(shì)，能夠部分代替實(shí)船和模型的碰撞試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“虛擬碰撞”。從上個(gè)世紀(jì)90年代以來。國內(nèi)外從事船舶碰撞的學(xué)者采用三維非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析軟件，對(duì)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(duì)典型LNG運(yùn)輸船進(jìn)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(yùn)輸船航線內(nèi)與之發(fā)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(jìn)江的海船)等。

針對(duì)小型撞擊船，選取排水量約為200 t(對(duì)應(yīng)船長約為40 m左右)的典型實(shí)船1艘;針對(duì)中型撞擊船，選取排水量約為3 600 t(對(duì)應(yīng)船長約為80 m)的典型實(shí)船1艘;針對(duì)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(shí)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(gè)部分。在研究過程中，建立被撞船的全船結(jié)構(gòu)有限元模型。參考《內(nèi)河雙殼液貨船耐碰撞評(píng)估指南》［6］中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)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(jìn)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(yùn)輸船的主要尺度參數(shù)見表2。側(cè)視圖見圖2。

圖1 撞擊船有限元模型

表2 1萬m3LNG運(yùn)輸船主尺度

3．2 被撞船有限元模擬

根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)將全船各類結(jié)構(gòu)按建造厚度離散為下列幾種類型。

圖2 被撞船1萬m3LNG運(yùn)輸船側(cè)視示意

1)板殼元(四節(jié)點(diǎn)，shell element):甲板、舷側(cè)外板及船底板、內(nèi)底板、船底縱桁、艙口圍板、縱艙壁及橫艙壁、肋板、強(qiáng)框架、雙殼間縱向平臺(tái)，板材上的縱橫骨材、水密艙壁上扶強(qiáng)材，等，對(duì)其腹板采用板殼元模擬。

2)梁元(兩節(jié)點(diǎn)，beam element):板材上的縱橫骨材、水密艙壁上扶強(qiáng)材，等，對(duì)其面板采用梁元模擬。

在被撞船的有限元仿真計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)算效率，而且所得到的仿真結(jié)果也偏于保守。被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)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(jì)算中考慮撞擊船與被撞船之間的摩擦作用，定義摩擦系數(shù)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(jì)算模擬中，接觸設(shè)定均采用自動(dòng)單面接觸。單面接觸可以用在一個(gè)物體表面的自身接觸或兩個(gè)物體表面間的接觸，對(duì)于模型中殼單元法向方向可能出現(xiàn)不一致的情況最好采用自動(dòng)接觸算法。在自動(dòng)單面接觸中程序會(huì)自動(dòng)判斷模型中哪些表面發(fā)生接觸，不需要人為定義主、從接觸面?？紤]到單面自動(dòng)接觸不能自動(dòng)輸出接觸力，計(jì)算時(shí)定義一個(gè)力傳感器接觸方式，用來輸出關(guān)心部件所受的接觸力［7-9］。

由于船舶碰撞為局部損傷現(xiàn)象，只在碰撞區(qū)域產(chǎn)生塑性變形、破裂，非碰撞區(qū)域基本上不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。因此，為減少計(jì)算時(shí)間、提高計(jì)算效率，對(duì)被撞船作如下約束處理。

1)艉部艉尖艙橫艙壁處所有節(jié)點(diǎn)約束x向，y向和z向的位移與轉(zhuǎn)動(dòng)。

2)艏部艏尖艙橫艙壁處所有節(jié)點(diǎn)約束x向，y向和z向的位移與轉(zhuǎn)動(dòng)。

4．2 網(wǎng)格尺寸和失效應(yīng)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(qiáng)度和維持承載的能力)的材料模型的塑性失效應(yīng)變是比較困難的。根據(jù)《內(nèi)河船舶抗碰撞能力評(píng)估指南》的規(guī)定，采用50 mm的網(wǎng)格尺寸，其臨界斷裂應(yīng)變值應(yīng)取為0.22。由于撞擊船縱向肋骨間據(jù)為700 mm。當(dāng)單元尺寸劃分為50 mm時(shí)，僅碰撞區(qū)網(wǎng)格數(shù)就達(dá)到70萬，整船模型網(wǎng)格數(shù)則會(huì)達(dá)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(jì)算效率，減少計(jì)算時(shí)間，將碰撞區(qū)網(wǎng)格尺寸設(shè)定為100 mm，非碰撞區(qū)域網(wǎng)格尺寸則為700 mm。當(dāng)碰撞區(qū)網(wǎng)格尺寸改變時(shí)，其臨界斷裂應(yīng)變值必須進(jìn)行相應(yīng)改變。

為確定對(duì)應(yīng)100 mm單元尺寸時(shí)臨界斷裂應(yīng)變值的大小，需通過選取不同的臨界斷裂應(yīng)變值，進(jìn)行船舶碰撞的仿真模擬，得到相應(yīng)的撞擊力-撞深曲線和能量-撞深曲線，并將其與50 mm網(wǎng)格，臨界斷裂應(yīng)變值為0.22的船舶碰撞模擬結(jié)果進(jìn)行比較，最終確定臨界斷裂應(yīng)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(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3)針對(duì)50 mm網(wǎng)格尺寸的艙段模型，臨界斷裂應(yīng)變?nèi)?.22，進(jìn)行碰撞的仿真模擬計(jì)算。

4)針對(duì)100 mm網(wǎng)格尺寸的艙段模型，臨界斷裂應(yīng)變值分別取為0.19、0.18、0.17進(jìn)行碰撞仿真模擬。

5)將以上計(jì)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(jìn)行比較，選取吻合較好的一組臨界斷裂應(yīng)變值作為本仿真模擬中對(duì)應(yīng)100 mm網(wǎng)格尺寸的斷裂應(yīng)變值EL，見圖4、5。

圖4 撞擊力-撞深對(duì)比

圖5 能量-撞深對(duì)比

圖4、5給出了網(wǎng)格尺寸為50 mm(臨界斷裂應(yīng)變值為0.22)和網(wǎng)格尺寸為100 mm(臨界斷裂應(yīng)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(wǎng)格尺寸為100 mm，臨界斷裂應(yīng)變值為0.19時(shí)，無論是撞擊力-撞深曲線還是能量-撞深曲線均與網(wǎng)格尺寸為50 mm仿真模擬結(jié)果吻合較好，表明網(wǎng)格尺寸為100 mm時(shí)，臨界斷裂應(yīng)變值應(yīng)取0.19。

4．3 碰撞模擬仿真力學(xué)模型的選取

對(duì)小型船撞擊，因被撞擊區(qū)域較小，故采用局部模型進(jìn)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(gè)貨艙區(qū)的左舷。仿真計(jì)算中采用附連水質(zhì)量法考慮周圍流體介質(zhì)的動(dòng)力影響，根據(jù)《內(nèi)河船舶抗碰撞能力評(píng)估指南》的規(guī)定，撞擊船的附連水質(zhì)量取為排水量的10%，以等效質(zhì)量密度的形式附加在外殼板上。對(duì)局部模型，細(xì)化區(qū)網(wǎng)格最大邊長尺寸為100 mm，網(wǎng)格數(shù)為17萬。局部撞擊模型見圖6。

圖6 LNG運(yùn)輸船局部模型

對(duì)中型、大型船舶，因撞擊區(qū)域較大，采用全船模型進(jìn)行計(jì)算?？紤]計(jì)算時(shí)間，整船模型網(wǎng)格劃分的原則為:對(duì)撞擊區(qū)采用100 mm網(wǎng)格尺寸劃分，相應(yīng)的失效應(yīng)變?yōu)?.19;對(duì)非撞擊區(qū)網(wǎng)格則以700 mm作為網(wǎng)格最大邊長尺寸進(jìn)行劃分。最終網(wǎng)格數(shù)目為46萬。LNG運(yùn)輸船整船網(wǎng)格模型示意見圖7。

圖7 LNG運(yùn)輸船整船網(wǎng)格模型示意

5 碰撞模擬仿真結(jié)果分析

5．1 碰撞角度對(duì)抗碰撞能力的影響

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

圖8 撞擊船以30°斜撞LNG運(yùn)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(yùn)輸船時(shí)的內(nèi)能與摩擦能對(duì)比見圖9。由圖9可見，隨著撞擊角度的減小，被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)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(yùn)輸船罐體不受損傷。

5．2 撞擊速度對(duì)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(dòng)能增大。碰撞過程中，撞擊船動(dòng)能的損失主要轉(zhuǎn)化為被撞船的結(jié)構(gòu)變形能。所以控制撞擊船的撞擊速度是保證LNG運(yùn)輸船安全營運(yùn)的關(guān)鍵。

圖9 中阻撞擊船以不同撞擊角度撞擊LNG運(yùn)輸船內(nèi)能和摩擦能對(duì)比

5．3 臨界撞擊速度與撞擊角度的關(guān)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(guān)。對(duì)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(gè)極限撞擊角度。同理，針對(duì)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(gè)極限撞擊速度。

分別對(duì)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(yùn)輸船過程進(jìn)行模擬仿真，并計(jì)算出臨界撞擊速度。以此繪制針對(duì)不同撞擊船以不同角度撞擊LNG運(yùn)輸船時(shí)臨界撞擊速度與撞擊角度的關(guān)系圖譜，見圖10。

圖10 小、中、大型船撞擊LNG運(yùn)輸船圖譜

1)由圖10 a)可見:對(duì)于小型船撞擊1萬m3LNG運(yùn)輸船，因其撞擊動(dòng)能較小，只要對(duì)1萬m3LNG運(yùn)輸船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)抗碰撞加強(qiáng)，其安全水平可以接受。

2)由圖10 b)可見:對(duì)于中型船撞擊1萬m3LNG運(yùn)輸船，當(dāng)撞擊角度小于等于45°時(shí)，1萬m3LNG運(yùn)輸船的罐體不會(huì)受損傷，其安全水平可以接受。如果對(duì)1萬m3LNG運(yùn)輸船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗碰撞加強(qiáng)，則能提高1萬m3LNG運(yùn)輸船的抗碰撞能力。

3)由圖10 c)可見:對(duì)于大型船撞擊1萬m3LNG運(yùn)輸船，由于該貨船滿載排水量大，含有極高的動(dòng)能，因此1萬m3LNG運(yùn)輸船難以滿足該類撞擊船撞擊時(shí)的安全水平。從計(jì)算結(jié)果可以看出，1萬m3LNG運(yùn)輸船能夠抵抗該類貨船滿載工況下撞擊角度為30°時(shí)的撞擊。對(duì)于該類船舶必須采取海事監(jiān)管措施，使其不會(huì)對(duì)1萬m3LNG運(yùn)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(yùn)輸船的圖譜曲線可以看出，隨著撞擊角度的減小，1萬m3LNG運(yùn)輸船所能抵抗撞擊船的撞擊速度一開始是緩慢增加，當(dāng)撞擊角度減小至60°時(shí)并繼續(xù)減小時(shí)，該運(yùn)輸船所能抵抗撞擊船的撞擊速度增加很快。這表明當(dāng)撞擊船以小角度撞擊該運(yùn)輸船時(shí)，該運(yùn)輸船能夠抵抗撞擊船以更高速度的撞擊。

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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(yùn)輸船碰撞(CY-G-S-12-ZC-019)

張榮(1979-)，男，學(xué)士，工程師

研究方向:中海油液化天然氣(LNG)運(yùn)輸船業(yè)務(wù)

E-mail:nwang@ccs.org.cn