張 昆

(海軍駐上海江南 (造船)集團(tuán)有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913)

從運(yùn)輸工業(yè)的發(fā)展開始，碰撞都是一個顯著的現(xiàn)象。碰撞過程和碰撞結(jié)果的無限可能性使該領(lǐng)域的研究至今都沒有停止過。2017年，美海軍“菲茨杰拉德”號驅(qū)逐艦于日本當(dāng)?shù)貢r間6月17日凌晨2時30分左右在日本橫須賀以南56海里附近海域與一艘在菲律賓注冊的商船ACX Crystal相撞，導(dǎo)致7名船員被困淹死，艦長室嚴(yán)重?fù)p毀，“菲茨杰拉德”號險些沉沒。相關(guān)部門展開了各種各樣的研究，制定海上航行規(guī)則和安全公約來避免未來此類現(xiàn)象繼續(xù)發(fā)生。船舶碰撞中的過程現(xiàn)象基本上可以分為2種:相互影響的外部動力學(xué)和內(nèi)部動力學(xué)。直至今日，評估碰撞現(xiàn)象的方法仍在繼續(xù)發(fā)展。

1 艦船碰撞概率計(jì)算

針對船舶的碰撞事故，P.T.Pederson提出了數(shù)學(xué)模型的方法，模型指出船舶碰撞概率滿足下式:P=NaPc，其中Pc為導(dǎo)致意外事故發(fā)生的諸多原因事件的函數(shù);Na為可能發(fā)生的船舶事故數(shù)目:

式中:Q為一段時間Δt內(nèi)在航道內(nèi)航行的航次;F為船舶碰撞概率;V甲乙為兩船航行的相對速度，m/s;D為幾何碰撞直徑，m;dA為2個交叉航道的重疊面積，m2。

其中，F(xiàn)滿足:

式中:Z為真實(shí)船舶航行時距航道中心的距離，m;μ為Z的主值;σ為對航道中心線的標(biāo)準(zhǔn)差;V甲為航行于航道1中的甲船的航速，m/s;V乙為航行于航道2中的乙船的航速，m/s;θ為兩航道的夾角，°;L為船長，m;B為船寬，m。

2013 年，屠艷等［1］依據(jù) P.T.Pedersen 碰撞模型計(jì)算了船舶發(fā)生碰撞事故的概率，并比較分析了航道夾角、航道密度以及航道寬度等變量對船舶碰撞概率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其他參數(shù)沒有發(fā)生變化時，2個航道夾角越大，航道密度越大，航道越窄，則兩船在交叉口碰撞的概率越高。

2 艦船碰撞過程研究方法

內(nèi)部沖擊力學(xué)的評估方法包括試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、解析法和數(shù)值模擬法。它們的優(yōu)勢和不足如表1所示。船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的沖擊強(qiáng)度分析過程如圖1所示。20年前，Amdahl等提出了擱淺和碰撞的設(shè)計(jì)程序。其中船舶碰撞的內(nèi)部機(jī)理可以分為2種類型:舷側(cè)碰撞和船首碰撞。本文重點(diǎn)論述舷側(cè)碰撞的損傷與防護(hù)。

表1 結(jié)構(gòu)沖擊分析的可行方法

圖1 船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的沖擊強(qiáng)度分析過程

3 艦船抗沖擊能力指標(biāo)

1)能量。能量輸出經(jīng)常是碰撞過程分析的一個重要部分，船體結(jié)構(gòu)吸能能力越強(qiáng)，損傷越小，但對于燃油艙等易燃艙室的艙壁吸收能量越多越容易引燃艙內(nèi)易燃物。例如，1992年，“立善號”油船在馬來西亞馬六甲海峽遭遇1艘卸完貨正準(zhǔn)備駛出波德申港的英國散裝貨輪撞擊，撞擊所產(chǎn)生的熱量使船上的5.2萬t易燃易揮發(fā)的石腦油迅速引燃，并產(chǎn)生了大量有毒氣體。可見，在艦船抗沖擊能力評估中，應(yīng)充分考慮碰撞構(gòu)件的吸能能力，對于含燃油等易燃物的艙室外壁，還應(yīng)考慮內(nèi)能增加引起的溫度升高。

2)碰撞力。碰撞力是2個剛體的任何一方(或兩方同時)在位移的過程中，兩物體所占據(jù)的幾何空間從未接觸到相互碰撞的那個瞬間所產(chǎn)生的力，這個力的方向，垂直于受此力作用的剛體表面，并指向剛體的內(nèi)部，其大小與剛體的動量變化量有關(guān)，動量變化量可以由碰撞前后的機(jī)械能守恒和動量守恒聯(lián)立求得。碰撞力與受力剛體本身的速度與質(zhì)量有關(guān)，因此對受力剛體而言碰撞力是個非保守力。

3)應(yīng)力。物體由于外因 (受力、溫度、溫度場變化等)作用而變形時，在物體內(nèi)部各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。應(yīng)力是矢量，沿截面法向的分量稱為正應(yīng)力，沿切向的分量稱為切應(yīng)力。在材料拉伸或壓縮過程中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時，應(yīng)力有微小的增加，而應(yīng)變卻急劇增長的現(xiàn)象，稱為屈服，使材料發(fā)生屈服時的正應(yīng)力就是材料的屈服應(yīng)力。在艦船抗沖擊能力評估中，根據(jù)沖擊應(yīng)力是否超過材料屈服應(yīng)力是判斷結(jié)構(gòu)耐撞性的重要手段。

4)損傷圖。損傷圖即應(yīng)力云圖或應(yīng)變云圖，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，有限元軟件為用戶提供了強(qiáng)大的可視化后處理界面，通過損傷圖，用戶可以清楚的看出碰撞過程中船體結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形和損傷，圖2為典型的船首結(jié)構(gòu)與固定方板碰撞損傷圖，由圖可知船首與固定板之間發(fā)生的結(jié)構(gòu)損傷變形主要發(fā)生在碰撞區(qū)域，在固定板的擠壓作用下，船首碰撞區(qū)域的材料達(dá)到屈服強(qiáng)度，材料失效產(chǎn)生變形，船體板在碰撞后，在碰撞的作用下產(chǎn)生凹陷，而艏部的舷側(cè)板也發(fā)生了不同程度的屈曲和變形。

圖2 典型損傷圖

4 抗沖擊能力評估關(guān)鍵技術(shù)

1)船體結(jié)構(gòu)形式簡化。船舶碰撞是一個極其復(fù)雜的動態(tài)過程，若要按照船舶的實(shí)際圖紙，將所有構(gòu)件都搭建，則不僅會導(dǎo)致工作量劇增，而且在使用有限元模型計(jì)算時，將會導(dǎo)致計(jì)算規(guī)模超出計(jì)算機(jī)的內(nèi)外存限制，最終使得計(jì)算失敗。為了減輕工作量，并在滿足一定工程精度的前提下，在搭建船舶碰撞的數(shù)值仿真模型前，可以將撞擊船和被撞擊船分別簡化為船首結(jié)構(gòu)和舷側(cè)結(jié)構(gòu)，如圖3，并通過改變附加結(jié)構(gòu)質(zhì)量的方法調(diào)節(jié)碰撞船舶的質(zhì)心和轉(zhuǎn)動慣量，使得參與碰撞的船舶噸位與實(shí)際一致且使得碰撞模型的運(yùn)動能夠較為合理的符合實(shí)際情況。

圖3 結(jié)構(gòu)簡化圖

2)附連水質(zhì)量。艦船運(yùn)動時，會帶動一部分水和其一起運(yùn)動，這部分水的質(zhì)量會增加撞擊船的動能，所以必須充分考慮，傳統(tǒng)意義上在模擬兩船相撞時，可以直接采用流固耦合模型計(jì)算，但需要花費(fèi)巨大的計(jì)算時間，所以，越來越多的學(xué)者提出采用附加質(zhì)量模型，在不影響計(jì)算精度的前提下，可以大大減小計(jì)算時間，提高計(jì)算效率。葉劍平等［2］分別采用增加密度和增加質(zhì)量點(diǎn)單元質(zhì)量的方法建立了兩種潛艇受撞的附加質(zhì)量模型。其中，增加密度法是通過增加材料密度使得附加質(zhì)量添加到艇體上，密度增加值的計(jì)算公式為:

式中:ρz為垂蕩運(yùn)動的附加密度;ρ為潛艇實(shí)際材料密度;mp為質(zhì)量點(diǎn)單元的總質(zhì)量;m2為垂蕩運(yùn)動附加質(zhì)量;m為潛艇質(zhì)量。

增加質(zhì)量點(diǎn)單元質(zhì)量法是通過增加質(zhì)量點(diǎn)單元的質(zhì)量使得附加質(zhì)量添加到艇體上:

式中:mei、mi和ni分別為潛艇第i個區(qū)域內(nèi)單個質(zhì)量點(diǎn)單元的質(zhì)量增加值、該區(qū)域的附加質(zhì)量以及該區(qū)域內(nèi)包含的質(zhì)量點(diǎn)個數(shù);riz為第i個區(qū)域?qū)軸的轉(zhuǎn)動慣性半徑;rz為流固耦合模型中潛艇對z軸的轉(zhuǎn)動慣性半徑。

通過與流固耦合模型計(jì)算結(jié)果對比、分析，采用后一種方法建立的附加質(zhì)量模型與流固耦合模型的仿真計(jì)算結(jié)果比較接近，可作為潛艇受撞有限元數(shù)值仿真的計(jì)算模型。

3)材料失效準(zhǔn)則。所謂失效是指單元不能夠繼續(xù)承受載荷，在有限元中表現(xiàn)為單元被刪除。目前，使用較為廣泛的斷裂失效準(zhǔn)則是極限等效塑形應(yīng)變。在有限元仿真中，怎樣選擇合理的失效應(yīng)變是比較復(fù)雜的課題。吳文峰［3］認(rèn)為對于船舶碰撞而言，失效應(yīng)變值取0.1可滿足大多數(shù)情況，而孫濤［4］設(shè)定0.2 作為材料的失效應(yīng)變值，張媛等［5］取εmax=0.3。由此可見，學(xué)者們對于等效塑形應(yīng)變的取值存在較大爭議，因此成為該領(lǐng)域下一步研究重點(diǎn)。

5 結(jié)構(gòu)抗沖擊性能優(yōu)化

傳統(tǒng)雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)具有外殼板、內(nèi)殼板、舷側(cè)縱桁、舷側(cè)縱骨和橫框架等主要結(jié)構(gòu)件。

近年來，學(xué)者們以傳統(tǒng)雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過改變雙層舷側(cè)縱桁的結(jié)構(gòu)形式，提出了多種新型縱桁形式的雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)模型，如帽形、菱形、半圓管形等［6］。孫豐等［7］對半圓管型舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)舷側(cè)縱桁厚度為10 mm時吸收能量最多，當(dāng)半圓管半徑為0.9 m時，其比吸能最大。

6 結(jié)束語

本文從“菲茨杰拉德”號驅(qū)逐艦被撞事件得到啟發(fā)，從艦船碰撞概率計(jì)算、碰撞過程研究、抗沖擊指標(biāo)、抗沖擊能力評估關(guān)鍵技術(shù)、抗沖擊性能優(yōu)化等方面對艦船抗沖擊領(lǐng)域國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，從而提出設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)中艦船抗沖擊能力評估的未來發(fā)展方向。

1)對于艦船碰撞概率，可用P.T.Pederson提出的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。

2)在艦船抗沖擊能力仿真評估中，應(yīng)使用MSC/DYTRAN、ANSYS/LS－DYNA以及 ABAQUS等通用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。

3)艦船抗沖擊能力評價指標(biāo)主要有能量、碰撞力、應(yīng)力和損傷圖，在計(jì)算碰撞構(gòu)件的吸能能力時，對于含燃油等易燃物的艙室外壁，還應(yīng)考慮內(nèi)能增加引起的溫度升高。

4)在抗沖擊能力評估中，船體結(jié)構(gòu)簡化、附連水質(zhì)量和材料失效準(zhǔn)則應(yīng)當(dāng)以科研立項(xiàng)、課題申報等形式進(jìn)行深入研究，對于附連水質(zhì)量的施加方法，增加質(zhì)量點(diǎn)單元質(zhì)量法建立的附加質(zhì)量模型與流固耦合模型的仿真計(jì)算結(jié)果更為接近;對于等效塑形應(yīng)變?nèi)≈担趯W(xué)者們存在爭議的現(xiàn)狀下，建議暫時按國際船舶結(jié)構(gòu)會議的建議取0.1～0.2。

5)基于艦船抗沖擊性能，應(yīng)當(dāng)對船體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，新型縱桁形式的雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)模型有帽形、菱形、半圓管形等。