宋博文，畢躍文，張兆德

（1. 浙江海洋大學 船舶與機電工程學院，浙江 舟山 316022； 2. 榮成造船工業(yè)有限公司，山東 威海 264309）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟和航運事業(yè)的迅速發(fā)展，船舶和跨海大橋的數(shù)量與日俱增，船舶碰撞事故時有發(fā)生，其中船橋碰撞事故占有很大的比例[1]。在已有的船橋碰撞理論研究中：劉建成等[2]研究整船與整橋在碰撞過程中的結(jié)構(gòu)損傷和吸能情況；胡志強等[3]對船橋碰撞過程中的非線性碰撞力進行研究；李磊等[4]對船舶噸位和速度對船橋碰撞損傷的影響進行研究；張兆德等[5]研究船首內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化對碰撞損傷的影響；潘晉[6]對船橋碰撞機理和橋墩的防撞裝置進行研究。在已有的船橋碰撞事故研究中，研究方向主要針對船橋碰撞中船和橋墩的損傷情況、船舶在碰撞中的耐撞性和橋墩防撞裝置的耐撞性等。張磊等[7]指出，目前采用有限元技術(shù)對事故進行分析處理的相關(guān)研究較少。因此，利用有限元技術(shù)對船橋碰撞可能出現(xiàn)的情況進行多 方面的模擬，得出可能的碰撞結(jié)果，建立專家數(shù)據(jù)庫，對于船橋碰撞事故分析而言具有重要的意義。

本文主要以42m漁船和圓柱形橋墩為例，通過計算漁船以不同的航速和不同的偏心距離對橋墩進行碰撞的情況，對速度-撞深、不同偏心距離-撞深和撞擊船的結(jié)構(gòu)變形進行分析，從而為規(guī)定航運繁忙區(qū)域的船舶航速和解決海事糾紛提供參考。

1 有限元模型

1.1 撞擊船模型

選取42m的拖網(wǎng)漁船作為撞擊船，選取2kn、3kn、4kn、5kn和6kn的航速，以及6kn航速下0.5m、1.0m、1.5m和2.0m的偏心距離作為研究工況。由于艏艙壁之后的船體結(jié)構(gòu)距離碰撞區(qū)域較遠，不會產(chǎn)生變形，只提供質(zhì)量，因此網(wǎng)格可放大，只需細化船首部分網(wǎng)格，同時合理選取網(wǎng)格的長度，即可保證計算的精度和時間[8]。船舶質(zhì)量分布在各單元上，且為方便計算，不考慮流固耦合，采用附連水質(zhì)量法[9]。碰撞開始之前，船舶與橋墩之間的距離為0.05m。

1.2 橋墩模型

被撞橋墩由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成，用半徑為2m的圓柱體模擬真實的橋墩。由于橋墩的剛性較大，在撞擊過程中變形較小，可忽略被撞部分結(jié)構(gòu)對其上下結(jié)構(gòu)的影響。由于預應力混凝土管樁和鋼筋混凝土沉井的基礎(chǔ)剛性較好，在建模時將橋墩底部處理為剛性固定結(jié)構(gòu)?？紤]到橋墩與橋梁上部結(jié)構(gòu)的連接問題，對上部結(jié)構(gòu)進行鉸接處理, 與實際情況較為符合[10]。同時，橋墩的單元網(wǎng)格長度要大于船首的單元網(wǎng)格長度，以符合碰撞模擬過程中的主從接觸關(guān)系。撞擊位置大約在橋墩中間位置。漁船與橋墩碰撞的整體有限元模型見圖1，在偏移條件下的有限元模型見圖2。

圖1 漁船與橋墩碰撞的整體有限元模型

圖2 漁船與橋墩碰撞在偏心條件下的有限元模型

1.3 材料參數(shù)

由于碰撞的損傷特性，將艏部船體結(jié)構(gòu)視為彈塑性材料結(jié)構(gòu)，將艏艙壁之后的船體結(jié)構(gòu)視為剛性材料結(jié)構(gòu)。彈塑性材料密度；彈性模量屈服強度；泊松比剛性材料密度彈性模量泊松比根據(jù)最新的試驗與研究結(jié)果，當模型中的單元網(wǎng)格長度均大于50mm時，材料的最大失效應變?yōu)?4%。利用 Cow-per-Symonds[11]本構(gòu)方程表達材料模型，對于普碳鋼而言，取常數(shù)C=40.4，q=5。采用以經(jīng)典塑性理論為基礎(chǔ)的彈塑性混凝土硬化斷裂本構(gòu)模型，能反映混凝土受拉脆性破壞和受壓延性破壞、體積膨脹等主要性能[12]。材料密度體積模量剪切模量；屈服強度σ= 30 GPa。為簡化模型和減少計算量，不考慮鋼筋對混凝土結(jié)構(gòu)的影響。

2 不同航速下正撞場景的船舶碰撞分析

主要分析該漁船在2kn、3kn、4kn、5kn和6kn航速下與橋墩正撞的全過程，以能量損失99%作為碰撞結(jié)束條件。橋墩的整體運動均有一定的滯后特性，隨著碰撞過程的推進，撞擊船的航速減小，橋墩的整體移動速度增大，當撞擊船的航速與橋墩的移動速度接近時，碰撞力會逐漸減小。直到撞擊船的航速與橋墩的速度相同時，碰撞力降低為零且結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化。

2.1 碰撞力分析

圖3為碰撞力-時間曲線。由圖3可知：當漁船與橋墩發(fā)生碰撞時，有多種結(jié)構(gòu)參與碰撞，且曲線起伏次數(shù)越多，參與碰撞的船首結(jié)構(gòu)越多；船舶碰撞顯示出了很強的非線性特性，且隨著漁船航速的增大，碰撞力的最大值增大；當航速增大時，碰撞的總時長隨之變長。這說明在漁船與橋墩碰撞過程中，碰撞力與船舶航速正相關(guān)，且航速越大，碰撞的非線性特征越明顯。

2.2 碰撞能量分析

漁船與橋墩碰撞過程中的能量變化主要有動能變化、碰撞產(chǎn)生的變形能與摩擦能變化，以及在計算過程中的沙漏能變化。圖4～圖6為漁船在2～6kn航速下的碰撞能量變化，分別為動能變化、變形能變化和沙漏能變化。由于橋墩的剛性較大，碰撞過程中的變形能主要被船首吸收。

圖3 碰撞力-時間曲線

圖4 動能時程曲線

圖5 變形能時程曲線

圖6 沙漏能時程曲線

由圖4～圖6可知，漁船的動能和碰撞過程中產(chǎn)生的變形能、沙漏能均隨航速的增大而增大。通過與碰撞力曲線相對比可知，當碰撞力減小至0時，碰撞過程中的能量轉(zhuǎn)化隨之停止。同時，通過與不同航速下的能量變化曲線相對比可知：當航速逐漸增大時，船首吸收的變形能在總能量中的占比逐漸減小；航速越大，摩擦產(chǎn)生的能量和沙漏能在總能量中的占比越大。

圖7 不同速度撞擊時的最大變形量

2.3 不同碰撞速度下船首的損傷變形

分別計算 2～6kn航速下的碰撞結(jié)果，得出不同碰撞速度下的船首最大變形量見圖7。從圖 7中看出，隨著航速的增大，船首的變形越來越明顯。這說明漁船的動能與航速的變化和碰撞的損傷變形成正比。由此可得出結(jié)論：當航速增大時，漁船的動能增大，碰撞造成的損傷變形更嚴重；當航速小于 4kn時，船首的損傷較小，說明碰撞發(fā)生時漁船的航速小于4kn是相對安全的。

3 不同偏心距離下的碰撞分析

3.1 不同偏心距離下的碰撞力計算

取6kn航速，分別計算漁船中縱剖線對橋墩中線偏移0m、0.5m、1.0m、1.5m和2.0m的碰撞過程，得到不同偏移情況下船、橋的碰撞力-時間曲線見圖8。

由圖8可知：當漁船碰撞發(fā)生偏移時，漁船與橋墩開始接觸的時間隨之推遲，且隨著偏心距離的增大，漁船與橋墩碰撞時的接觸面積增大，參與能量吸收的構(gòu)件增多；隨著偏移距離的增大，舷墻型材更快參與到船舶與橋墩的碰撞中來；當漁船的位置發(fā)生偏移時，漁船碰撞的非線性特征更明顯。

3.2 不同偏心距離下的能量變化

圖9～圖11為漁船在不同偏心距離下與橋墩碰撞的能量變化，分別為動能、變形能和沙漏能。由圖9～圖 11可知：當航速相同時，漁船的初始動能相同；當船首正面率先與橋墩接觸時，漁船的動能完全損失的時間十分接近，都在0.7s結(jié)束；當船首側(cè)面率先與橋墩發(fā)生碰撞時，動能完全損失的時間在1.1s。當船首正面率先與橋墩接觸、偏心距離小于1.0m時，碰撞吸收的變形能略有增大，而沙漏能略有減??；當偏心距離大于1.0m時，船首碰撞吸收的變形能開始變小而沙漏能開始增大；當偏心距離大于2.0m時，沙漏能有一個明顯增大的過程，說明當船首側(cè)面率先與橋墩碰撞時，由于接觸的單元較多，參與碰撞的構(gòu)件較多，沙漏能較大。因此，漁船與橋墩碰撞的能量變化不僅與航速有關(guān)，而且與碰撞的偏心距離有關(guān)。

圖8 不同偏心距離下的碰撞力-時間曲線

圖9 不同偏心距離下的動能時程曲線

圖10 不同偏移心距離下的變形能時程曲線

圖 11 不同偏心距離下的沙漏能時程曲線

3.3 不同偏心距離下的船首變形損傷

取6kn航速，對比漁船中縱剖線對橋墩中線偏移0m、0.5m、1.0m、1.5m和2.0m的碰撞損傷變形，得出偏心距離與碰撞最大位移的柱狀圖和船首變形損傷云圖。

圖12為船首與橋墩在不同偏心距離下的碰撞最大位移。從圖12中可看出，船首碰撞損傷位移隨著偏心距離的增大呈現(xiàn)出先增大后減小最后又增大的趨勢，且總體碰撞損傷呈增大的趨勢，這與上一節(jié)中能量的變化近似。船首碰撞損傷呈非線性變化。這說明當撞擊位置不同時，碰撞對船首結(jié)構(gòu)損傷的變化有明顯的影響，且船首正面的結(jié)構(gòu)強度要比船首側(cè)面的結(jié)構(gòu)強度大，船首側(cè)面的結(jié)構(gòu)更易在碰撞過程中因發(fā)生屈服而變形。

圖12 不同偏心距離下的碰撞最大位移

4 結(jié) 語

無論是碰撞速度不同還是碰撞的偏心距離不同，得到的碰撞損傷結(jié)果都是不同的，因此可根據(jù)大量的數(shù)值模擬結(jié)果來建立數(shù)據(jù)庫，對實際碰撞情況進行評估。經(jīng)過分析，得出以下結(jié)論：

1) 船橋碰撞的時間很短，一般在2s以內(nèi)。當航速較小時，1s以內(nèi)就能結(jié)束碰撞。撞擊時間隨速度的增大或偏心距離的增大而增加。

2) 在同一航速下，當偏心距離增大時，船首的結(jié)構(gòu)損傷隨之增大，取 6kn航速作為標準，可看到更加顯著的結(jié)構(gòu)損傷，說明船首越往兩側(cè)偏移，結(jié)構(gòu)強度越弱。

3) 通過以不同航速和不同偏心距離撞擊橋墩，可有效得出漁船在不同情況下撞擊橋墩的損傷變形情況。

后續(xù)將通過不斷地深入研究，增加更多的參數(shù)敏感性分析，建立專家數(shù)據(jù)庫，得到大量數(shù)據(jù)，為實際船舶碰撞事故分析提供參考，并為已發(fā)生的碰撞事故提供還原的損傷評估和維修決策。