碰撞位置对高速三体船碰撞性能的影响研究

朱浩亮

（常州市地方海事局，江苏常州213004）

碰撞位置对高速三体船碰撞性能的影响研究

朱浩亮

（常州市地方海事局，江苏常州213004）

基于碰撞有限元分析方法及理论，以高速三体船为研究对象，使用有限元软件MSC.Dytran全船仿真建立有限元模型。采用正面碰撞模型分别对三体船主体、附体和连接桥与刚性墙的碰撞开展计算，研究其在结构损伤变形、位移、速度、碰撞力和船体结构能量吸收等方面上的性能。针对以上研究结果对三体船结构提出了优化方案，最终通过数值仿真的计算、分析和比较，进一步得出优化后三体船碰撞性能的变化，为三体船结构设计和加强提供参考依据。

三体船；碰撞位置；有限元法；强度计算

三体船与刚形体碰撞产生的撞击力与多种因素相关，比如碰撞位置、船舶吨位、碰撞方向、运行速度、水的作用、刚体截面形状和尺寸等。即使是撞击相同的刚体，不同的撞击条件下所得到的船撞力大小也各有不同。本文主要研究不同碰撞位置对高速三体船碰撞性能的影响，分析碰撞过程中三体船在结构损伤变形、位移、速度、碰撞力和船体结构能量吸收等方面上的性能，然后对三体船连接桥区域提出结构优化方案，并对比了结构优化前三体船的碰撞性能，研究了三体船连接桥结构优化对三体船碰撞性能的影响。

1 位置参数对三体船碰撞性能的影响

1.1 三体船碰撞参数设置

由于高速三体船由主体、附体以及连接桥组成，所以，在建模过程中考虑到了整船建模。本节进行全船碰撞有限元数值仿真的船舶是7 m高速三体船。船体的有限元模型的单元数为3 652个，节点数为2 698个。利用MSC.Dytran软件对整船碰撞模型进行数值仿真分析，研究其耐撞性能。假设船舶之间有10 mm的初始距离，船舶以25 kN（12.86 m/s）的初速度，分别以3个不同撞击位置进行仿真计算。方案Ⅰ表示高速三体船主体撞击刚性体，方案Ⅱ表示高速三体船附体撞击刚性体，方案Ⅲ表示高速三体船连接桥区域撞击刚性体。3个方案的撞击位置如图1所示。

三体船采用玻璃钢材料加工，在MSC软件中可以直接从材料数据库中获得材料数据。对于MSC.Dytran的接触分析，本文主要运用自适应接触来模拟三体船的碰撞问题。

1.2 三体船碰撞性能

1．2．1 损伤变形

碰撞发生0.5 s后，高速三体船不同方案下的损伤变形、碰撞结果如图2所示。

图1 撞击位置

从图2可看出：①撞击船船首碰撞损伤区域主要集中在受撞区域（方案Ⅰ为主体首部；方案Ⅱ为附体首部；方案Ⅲ为连接桥区域）。随着撞击时间的增加，撞击区域的损伤变形愈加严重，撞深随之增加，损伤区域也随之变大。②就损伤模式而言，方案Ⅰ的损伤变形以挤压为主的撕裂和膜拉伸为主，在刚性体的碰撞下产生高应力区，随后发生拉伸变形超出失效应变而使外板失效破裂，而方案Ⅱ和方案Ⅲ主要以刚性体划割附体和连接桥而产生的，在受到刚性体碰撞作用下产生屈服、大变形、失稳、断裂。

图2 不同方案下的碰撞损伤变形图

1．2．2 速度及位移

3个不同撞击位置的碰撞模型计算结束时刻不同方案下的高速三体船速度变化如图3所示。

图3 速度-时间变化曲线

从图3中可以看出，方案Ⅰ中当时间t=0.29 s时的速度为0，三体船碰撞停止。而方案Ⅱ和方案Ⅲ碰撞中，船体附体和连接桥破裂后撞击船仍具有较高的速度，碰撞损伤继续发展，由于撞击船本身质量较大，初始动能巨大，对结构破坏损伤能力较强，损失的动能转化为船首大面积的变形能。3个不同撞击位置的碰撞模型计算结束时刻不同方案下的高速三体船位移变化如图4所示。从图4中可以看出，3种方案下对于高速三体船的位移变化基本呈现上升趋势。然而，方案Ⅰ中位移曲线最平缓，方案Ⅱ位移曲线最陡峭，说明方案Ⅰ中刚性体抑制三体船往前航行的作用最大，方案Ⅱ最小，方案Ⅱ中船体仍然以一定速度往前航行。

图4 位移-时间变化曲线

1．2．3 碰撞力

图5为不同方案下高速三体船与刚性体之间的碰撞力曲线，从图5中可以看出以下2点：①不同方案下的碰撞力曲线总体趋势具有明显的非线性，呈多峰状态，且峰值处为船体接触区域的主要构件失效时刻。②不同位置碰撞引起的碰撞力曲线变化和最大值均有所不同，方案Ⅰ中，t=0.1 s时，碰撞力达到极值7.2×105N，随着时间的推移，碰撞力逐渐减小；方案Ⅱ中，在t=0.08 s时，碰撞力达到极值0.79×105N；方案Ⅲ中，在t=0.07 s时，碰撞力达到极值6.00×105N。通过计算发现，7 m高速三体船以12.86 m/s速度主体正向撞击刚性体时碰撞力最大，附体撞击刚性体时碰撞力最小。

1．2．4 能量吸收

撞击船内部各构件能量吸收如表1所示。

表1 各构件的吸能汇总

表1反映了高速三体船内部各构件在不同方案下的能量吸收情况，从表1中可以看出以下3点：①在一定的碰撞时间内，不同构件的能量吸收曲线呈现上升趋势。随着碰撞的进行，同一构件抵御碰撞的能力逐渐增加，总的变形能也随之增大。②对表1的数据进行对比研究发现，总吸能方面，方案Ⅰ＞方案Ⅲ＞方案Ⅱ；方案Ⅰ中舷侧外板是最主要吸能构件，方案Ⅱ中附体是最主要吸能构件，方案Ⅲ中连接桥是最主要吸能构件。③不同方案下的能量吸收和撞击位置有着十分重要的关系。

1.3 位置参数对三体船碰撞性能影响小结

不同方案下的碰撞结果比较如表2所示。

表2 不同方案下的碰撞结果比较

在改变不同撞击位置的方案下，得到其在结构损伤变形、位移与速度、碰撞力以及船结构能量吸收等方面上的性能，结论如下：①撞击船首碰撞损伤区域主要集中在受撞区域。②方案Ⅰ中，当时间t=0.29 s时，速度为0，三体船碰撞停止。而方案Ⅱ和方案Ⅲ碰撞中，船体附体和连接桥破裂后撞击船仍具有较高的速度，碰撞损伤继续发展。3种方案下对于高速三体船的位移变化基本呈现上升趋势。然而，方案Ⅰ中位移曲线最平缓，方案Ⅱ位移曲线最陡峭。③方案Ⅰ中，t=0.1 s时，碰撞力达到极值7.2×105N，随着时间的推移，碰撞力逐渐减小；方案Ⅱ中，t=0.08 s时，碰撞力达到极值0.79×105N；方案Ⅲ中，在t=0.07 s时，碰撞力达到极值6.00×105N。④总吸能方面，方案Ⅰ＞方案Ⅲ＞方案Ⅱ。方案Ⅰ中，舷侧外板是最主要吸能构件，方案Ⅱ中附体是最主要吸能构件，方案Ⅲ中连接桥是最主要吸能构件，不同方案下的能量吸收跟撞击位置有着十分重要的关系。

2 优化连接桥结构

2.1 优化方案

作为提高船舶抗撞能力的措施，本文提出了一种新的耐撞结构形式设计——加强连接桥内部横隔板，即在连接桥内部增加2道横隔板，即在#5和#9肋位上，内部增加2道横隔板。

2.2 连接桥结构优化后碰撞性能

图6 连接桥结构加强后碰撞性能分析

本节针对连接桥进行了结构加强，碰撞参数为连接桥与刚性平台正面碰撞，撞击速度为12.86 m/s，其他碰撞参数不变。连接桥结构加强后碰撞性能分析如图6所示。

图6反映了在连接桥结构加强后高速三体船碰撞性能，从图6中可以看到：①从图6（a）中看到连接桥结构加强后的损伤变形范围同样有所减小，这意味着增加2道横隔板增加了附体与连接桥之间内部构件抵御变形的能力，改变了整体结构的吸能能力。②从图6（b）中看到碰撞是一个非常短时间内发生的动力冲击，从碰撞开始到冲击速度为0仅持续了0.25 s，连接桥横隔板结构局部加强对碰撞持续的时间的影响不大，仅仅对过程中碰撞速度有影响。③从图6（c）中看到结构加强后三体船位移量小于未加强前的位移量。由此可见，结构加强后的连接桥横隔板改变了变形损伤模式与吸能特性，使其抗撞潜能得以进一步发挥，从而减小了撞击力度。④从图6（d）中看到结构加强对抗撞性能的分析主要看到连接桥破裂的时刻。连接桥结构在时间大约为0.07 s时破裂，而未加强的三体船在0.04 s时连接桥破裂，即加强后三体船的抗撞能力主要表现在它推迟了甲板的破裂，增加了整船的抵御碰撞的能力。

表3列出了结构加强后高速三体船各构件的构件吸能能力情况。对照表1可以看出，加强后的结构设计改变了碰撞局部的吸能压力。比如横隔板，其与常规的船体结构相比，吸能比例有所增加（增加了8%）。这是由于横隔板结构增加的结构设计使结构损伤变形迅速扩大到了一定程度，从而降低了附体和内部其他构件的吸能能力。

表3 各构件的吸能汇总

3 结束语

本文首先研究不同碰撞位置对高速三体船碰撞性能的影响，然后增加了三体船连接桥的横隔板，并对比结构优化前后三体船的碰撞性能，可以得出以下结论：①能量吸收与撞击位置有着十分重要的关系，附体正面撞击时结构的吸能最少、碰撞力最大，这种情况下对船体结构的损伤最严重；②连接桥加强后三体船的抗撞能力主要表现在它推迟了甲板的破裂，增加了整船抵御碰撞的能力；③连接桥加强前后单从吸能角度来讲，横隔板数量的变化增加了整船吸能，从而增强了三体船抵御碰撞的能力。

［1］黄毅铭.船舶舷侧新型耐撞结构研究［D］.镇江：江苏科技大学，2014.

［2］王君杰，宋彦臣，卜令涛.桥墩船撞力时间过程概率模型［J］.公路交通科技，2014（01）.

〔编辑：张思楠〕

U674.951

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.013

2095-6835（2017）15-0013-04