吳文鋒， 楊雨濱， 張建偉， 盧金樹(shù)， 王帥軍， 朱發(fā)新

(浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 浙江 舟山 316022)

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，海上貿(mào)易日趨繁忙，而航行船舶數(shù)量激增，航速不斷提高，航線越加擁擠，使得船舶間碰撞事故發(fā)生的可能性顯著上升。船舶作為一種復(fù)雜且龐大的海上可移動(dòng)建筑，其碰撞事故的后果往往是災(zāi)難性的，尤其是大型油船碰撞事故不僅可能引起船體結(jié)構(gòu)破損，還可能引發(fā)一系列環(huán)境污染問(wèn)題。因此，開(kāi)展油船碰撞性能研究對(duì)于保障航行安全和保護(hù)環(huán)境具有十分重大的意義。

以往由于油船碰撞問(wèn)題的復(fù)雜性及其求解技術(shù)發(fā)展的局限性等影響，油船結(jié)構(gòu)碰撞性能研究普遍以空載油船為研究對(duì)象，忽略艙內(nèi)液貨的影響[1-5]。近年來(lái)隨著碰撞損傷機(jī)理研究的深入及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，有部分學(xué)者對(duì)載貨狀態(tài)下油船的碰撞問(wèn)題進(jìn)行初步探討。ZHANG等[6]采用3種數(shù)值仿真方法對(duì)在碰撞載荷作用下油船內(nèi)流體與結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)拉格朗日歐拉法所得結(jié)果合理且計(jì)算成本較低，可作為實(shí)際工程應(yīng)用的方法。楊樹(shù)濤[7]開(kāi)展艙內(nèi)液貨對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能影響的研究，發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)液貨對(duì)碰撞特性有一定影響。張日紅[8]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)在碰撞載荷作用下滿載油船內(nèi)液貨與舷側(cè)結(jié)構(gòu)之間的相互作用對(duì)油船結(jié)構(gòu)損傷變形及結(jié)構(gòu)碰撞性能的影響開(kāi)展研究。TABRI等[9]通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)船舶在液貨晃蕩作用下的碰撞性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)液體晃蕩對(duì)船舶碰撞性能具有重要影響。CUI等[10]針對(duì)雙殼油船的某個(gè)艙段，對(duì)在空載和80%裝載狀態(tài)下的碰撞動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)液貨對(duì)船舶舷側(cè)碰撞性能影響極為不利。吳文鋒等[11]運(yùn)用數(shù)值模擬軟件ANSYS/LS-DYNA分析雙殼油船在載貨狀態(tài)下艙內(nèi)液貨晃蕩對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能的影響，研究結(jié)果表明在研究雙殼油船碰撞時(shí)不能忽略艙內(nèi)液貨的影響。

綜上所述，當(dāng)前針對(duì)載貨油船碰撞問(wèn)題的研究主要以被撞船為研究對(duì)象，尚未有學(xué)者開(kāi)展撞擊船艙內(nèi)載貨對(duì)油船碰撞損傷過(guò)程的影響研究。在實(shí)際油船碰撞過(guò)程中，撞擊船一般處于載貨狀態(tài)，因此有必要開(kāi)展撞擊船載貨對(duì)油船碰撞損傷的影響分析。本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，以7 000 噸級(jí)雙殼油船為研究對(duì)象建立船舶碰撞數(shù)值模型，分別對(duì)空載和液艙載液率80%的撞擊船在單艙載貨、雙艙載貨、3艙載貨等情況下開(kāi)展數(shù)值仿真計(jì)算。對(duì)比分析碰撞力、結(jié)構(gòu)損傷變形等，得出撞擊船載貨對(duì)雙殼油船碰撞損傷特性的一般影響規(guī)律。

1 碰撞方案

以7 000噸級(jí)雙殼油船為研究對(duì)象，撞擊船以4 m/s的速度垂直對(duì)中撞向處于靜止?fàn)顟B(tài)的雙殼油船。相撞船舶的主要尺寸如表1所示。

表1 相撞船舶的主要尺寸

為探究撞擊船載貨對(duì)雙殼油船碰撞損傷的影響特征，撞擊船載貨狀況分別為空載、單艙載貨、雙艙載貨、3艙載貨等4種狀態(tài)。船舶碰撞方案如表2所示，撞擊船艙室分布如圖1所示。

表2 船舶碰撞方案

圖1 撞擊船艙室分布

2 模型建立

2.1 船舶碰撞模型

考慮到船舶碰撞的局部特性以及模型計(jì)算的時(shí)間成本，在建立船舶模型過(guò)程中，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。其中，被撞船簡(jiǎn)化為1段貨艙，通過(guò)艙段中間平衡桿保證被撞船質(zhì)心和重心等與實(shí)船一致。撞擊船船首結(jié)構(gòu)與實(shí)船船首形狀一致，舷側(cè)液艙結(jié)構(gòu)只保留液艙外殼，但通過(guò)密度調(diào)整法保證質(zhì)心和重量與實(shí)船一致[12]。船舶碰撞數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 船舶碰撞數(shù)值模型

在碰撞中船首部剛度一般遠(yuǎn)高于被撞船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)，因此本文撞擊船采用剛性材料，被撞船考慮采用應(yīng)變率效應(yīng)的塑性動(dòng)態(tài)模型[13]，其參數(shù)設(shè)置如表3所示。

2.2 艙內(nèi)原油模型

艙內(nèi)原油模型主要包括原油和空氣兩部分。本文艙內(nèi)原油模型材料特性主要通過(guò)LS-DYNA中NULL材料模型和狀態(tài)方程進(jìn)行描述。

表3 塑性動(dòng)態(tài)材料模型的參數(shù)設(shè)置

空氣狀態(tài)方程采用LS-DYNA提供的線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程，并通過(guò)關(guān)鍵字*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL來(lái)描述[14]?？諝獠牧蠀?shù)如表4所示。該狀態(tài)方程定義壓縮材料的壓力為

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(C4+C5μ+C6μ2)E0(1)

式中：P為壓力；E0為初始比內(nèi)能；C0、C1、C2、C3、C4、C5和C6為自定義常數(shù)；μ為比體積。

表4 空氣材料參數(shù)

狀態(tài)方程采用LS-DYNA提供的Gruneusen方程，并通過(guò)關(guān)鍵字*EOS_GRUNEUSEN進(jìn)行描述[11]。原油材料參數(shù)如表5所示。該狀態(tài)方程定義壓縮材料的壓力為

(γ0+αμ)E0(2)

式中：P為壓力；ρ0為流體初始密度；C為撞擊速度-質(zhì)點(diǎn)速度(νs-νp)曲線截距；μ為比體積，其值為ρ/ρ0-1；γ0為格林愛(ài)森常數(shù)；α為γ0的一階體積修正因數(shù)；S1、S2、S3為νs-νp曲線的斜率因數(shù)；E0為單位體積內(nèi)能。

在計(jì)算過(guò)程中，艙內(nèi)原油采用任意拉格朗日歐拉算法，設(shè)置LS-DYNA的關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID，實(shí)現(xiàn)與撞擊船結(jié)構(gòu)的流固耦合。

表5 原油材料參數(shù)

3 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 碰撞船舶速度變化分析

圖3為船舶速度與時(shí)間的變化曲線。從圖3可以看出，碰撞船舶速度包括撞擊船速度和被撞船速度。在各工況下被撞船速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致。撞擊船速度變化主要分為3個(gè)階段：第1階段為撞擊時(shí)間約在0.38 s前，此階段撞擊船與被撞船接觸，由于碰撞初期撞擊船所在液貨未及時(shí)響應(yīng)，在各工況下模型碰撞情形相似，故撞擊船速度變化相差不大；第2階段撞擊時(shí)間約在0.38～1.70 s，通過(guò)后處理軟件LS-Propest查看得知此時(shí)艙內(nèi)液貨開(kāi)始響應(yīng)，具體響應(yīng)體現(xiàn)在撞擊船裝載液貨越多，其速度變化越快；第3階段在1.70 s之后，此時(shí)被撞船漂移速度大于撞擊船速度，撞擊船與被撞船相互作用減弱。

圖3 碰撞船舶速度-時(shí)間曲線

3.2 撞擊深度變化分析

圖4為撞擊船撞擊深度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。從圖4可以看出，撞擊深度變化主要分為2個(gè)階段：第1階段，撞擊時(shí)間約在0.38 s前，此階段撞擊船船首與被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)接觸作用但未撞破被撞船內(nèi)殼，碰撞能量通過(guò)舷側(cè)結(jié)構(gòu)傳遞給被撞船。此時(shí)，由于碰撞時(shí)間較短，撞擊船艙內(nèi)液貨未發(fā)生明顯響應(yīng)，且被撞船質(zhì)量和結(jié)構(gòu)均一致，因此撞擊深度隨時(shí)間變化基本一致。第2階段為撞擊時(shí)間約在0.38～1.70 s時(shí)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，撞擊船艙載貨越多，撞擊深度越淺。這主要是由于撞擊船產(chǎn)生的碰撞能量部分由撞擊船速度驟降所產(chǎn)生的撞擊船艙內(nèi)液貨晃蕩所吸收。第3階段為1.70 s后，撞深變化十分平緩，這是由于被撞船漂移速度大于撞擊船速度，撞擊船與被撞船相互作用減弱。

圖4 撞擊深度-時(shí)間曲線

3.3 碰撞力分析

圖5為碰撞力隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。如圖所示，模型碰撞力可劃分為3個(gè)階段。第1階段為撞擊時(shí)間0.38 s之前，撞擊船撞擊被撞擊船，其中，撞船未與內(nèi)殼發(fā)生作用。此階段在0.17 s前，由于被撞擊船舷側(cè)結(jié)構(gòu)變形阻礙撞擊船的推進(jìn)，碰撞力顯著提升；在0.17～0.38 s時(shí)，由于被撞船外殼破裂，撞擊船與雙殼間縱橫骨架接觸作用，但仍未與內(nèi)殼板直接作用。由于此階段撞擊船艙內(nèi)液貨響應(yīng)微弱，各碰撞工況下撞擊狀況一致，此階段各模型碰撞力基本一致。第2階段為撞擊時(shí)間約在0.38 s后，由于撞擊船與內(nèi)殼板接觸，使得碰撞力迅速上升直至內(nèi)殼破損，碰撞力有所下降，并伴隨著撞擊船的繼續(xù)推進(jìn)，碰撞力有一定波動(dòng)。第3階段為在撞擊時(shí)間到達(dá)1.70 s后，碰撞力開(kāi)始下降，此時(shí)由于撞擊船速度小于被撞船漂移速度，撞擊船與被撞船接觸減弱。此階段由于碰撞過(guò)程的復(fù)雜性，撞擊船載貨未對(duì)碰撞力產(chǎn)生明顯的作用。

圖5 碰撞力-時(shí)間曲線

3.4 吸能分析

圖6為被撞擊船內(nèi)能隨時(shí)間變化曲線。從圖6可以看出：在碰撞前期，即撞擊時(shí)間約在0.38 s前，撞擊船是否裝載液貨對(duì)被撞船內(nèi)能變化幾乎不產(chǎn)生影響。此時(shí)撞擊船艙內(nèi)液貨未發(fā)生明顯響應(yīng)，碰撞形式基本一致，因此此階段被撞船由結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的內(nèi)能與撞擊船載貨狀態(tài)關(guān)聯(lián)較小。在碰撞后期，即撞擊時(shí)間約在0.38 s后，由圖3可知，此時(shí)由于艙內(nèi)液貨發(fā)生明顯響應(yīng)，撞擊船速度隨撞擊船載貨狀態(tài)不同產(chǎn)生明顯差異，撞擊船貨艙載貨越多，撞擊船速度下降越快，撞擊深度越淺，從而導(dǎo)致被撞船內(nèi)能越小。

圖6 被撞擊船內(nèi)能-時(shí)間曲線

圖7反映在4種碰撞情形下被撞船外殼板內(nèi)能隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。從圖7可以看出：撞擊時(shí)間約在0.38 s前，4種碰撞情形的外殼內(nèi)能變化基本一致，主要原因?yàn)榕鲎渤跗谧矒舸搩?nèi)液貨未起明顯作用，4種碰撞情形基本一致。撞擊時(shí)間約在0.38 s后，隨著撞擊深度增加，外殼繼續(xù)朝撞擊方向彎曲變形吸能，外殼內(nèi)能逐漸增大。由圖3可知：在0.38～1.70 s，撞擊速度隨撞擊船載貨減少，其引起外殼結(jié)構(gòu)變形的程度也相對(duì)較低。在1.70 s后，由于撞擊船與被撞船相脫離，此時(shí)撞擊船對(duì)被撞船作用迅速減小，且被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)變形吸能已基本完成，外殼內(nèi)能變化趨于平緩。

圖7 外殼板內(nèi)能-時(shí)間曲線

圖8為各模型內(nèi)殼板內(nèi)能隨撞擊時(shí)間變化的關(guān)系曲線。從圖8可以看出：撞擊時(shí)間約在0.38 s前，撞擊船未對(duì)內(nèi)殼產(chǎn)生明顯作用，內(nèi)殼內(nèi)能增長(zhǎng)平緩。隨著撞擊時(shí)間的推進(jìn)，撞擊船與內(nèi)殼發(fā)生接觸，內(nèi)殼內(nèi)能迅速增加，此時(shí)內(nèi)殼內(nèi)能主要為碰撞引起的內(nèi)殼變形。撞擊船貨艙載貨越多，撞擊船速度下降越明顯、撞擊深度越淺，內(nèi)殼變形吸收能量越少，造成船舶損傷越輕。

圖8 內(nèi)殼板內(nèi)能-時(shí)間曲線

綜上所述，在船舶碰撞過(guò)程中，撞擊船貨艙載貨越多，被撞船內(nèi)外殼板及船舶整體的吸能越少，說(shuō)明撞擊船艙內(nèi)液貨對(duì)船舶碰撞損傷具有重要影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

以雙殼油船為研究對(duì)象，應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA對(duì)比分析撞擊船載貨對(duì)雙殼油船舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能，得出主要結(jié)論如下：

(1) 在碰撞前期，撞擊船載貨狀況對(duì)撞擊深度、碰撞力及結(jié)構(gòu)吸能等方面影響較小，可以忽略撞擊船載貨對(duì)船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷的影響。

(2) 在碰撞后期，撞擊船載貨狀況對(duì)雙殼油船碰撞性能產(chǎn)生較為明顯的影響，主要體現(xiàn)在撞擊船載貨工況相對(duì)于空載工況，撞擊船撞擊深度較淺，被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)吸能較少，且隨著撞擊船艙載貨越多，撞擊深度及結(jié)構(gòu)吸能相應(yīng)減少。因此，研究雙殼油船碰撞問(wèn)題不能忽略撞擊船載貨帶來(lái)的影響。