内河小型LNG船碰撞结构损伤数值研究

窦 旭，吴宛青，宋 明

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

内河小型LNG船碰撞结构损伤数值研究

窦 旭，吴宛青，宋 明

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

对小型液化天燃气(Liquefied Natural Gas,LNG)船在内河航行过程中发生碰撞造成的结构损伤进行数值研究。以内河小型LNG船为目标船，以典型的散货船为撞击船，在Solidworks软件中完成几何建模，在有限元软件ANSYS中进行船舶碰撞数值计算。采用均匀设计法确定计算方案，通过回归分析处理所得数据，得到被撞船的内壳、外壳破裂临界撞击速度经验公式。利用该研究成果，可针对内河不同尺度的LNG船遇到不同吨级散货船时的情况，进行相应的航速安全管理，以便在不采用移动安全区的情况下有效控制LNG船在内河营运过程中的整体风险。

船舶碰撞；结构损伤；数值模拟；回归分析

近年来，随着天然气的需求日益增长，液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)内河运输需求日益迫切。由于内河一般具有航道交叉和交通流量大等特点，而LNG又具有特殊的危险性，因此LNG船在内河营运过程中有着较高的风险。[1]

当前，制约LNG船内河运输的一个关键因素是LNG船营运过程中的移动安全区问题。例如，在内河考虑移动安全区问题，虽能有效避免碰撞事故发生，但监管和营运成本过高。进行船舶安全航速管理是解决该矛盾、推进LNG船内河运输的一项有效措施。这里通过量化研究在内河营运的LNG船与其他船舶的碰撞事故，提出安全航速，为LNG船内河营运的有效管理提供理论依据。

当前国内外在船舶碰撞方面已有大量研究：文献[2]～文献[5]对船舶碰撞问题开展较为深入的研究；文献[6]和文献[7]在内河小型LNG船碰撞领域进行相关研究。

目前，常用的船舶碰撞和搁浅事故研究方法主要有试验法、经验公式法、简化的解析法和有限元法。[8]这里采用有限元法，利用Solidworks三维建模软件结合ANSYS有限元分析软件，以内河小型LNG船为被撞船，以在内河营运的最为广泛的散货船为撞击船，进行LNG船碰撞结构损伤的数值研究。

1 理论基础

1.1变形基本理论

利用ANSYS软件对船舶碰撞问题进行研究，该有限元软件对船舶结构变形的分析主要基于以下变形基本理论。[9]

1.1.1物体运动描述

设质点在t=0时刻占据的空间为初始构形，经过时间t到达的位置为现时构形，其在初始构形中的质点矢径的表达式为

X=Xiei,i=1,2,3

(1)

式(1)中:ei为坐标系中的基矢量；Xi为质点矢径X在参考构形中的分量。

1.1.2应力与应变

在求解变形问题时，会应用到Kirchhoff应力和Green应变。

(1) Kirchhoff应力的定义为

(2)

(2) Green应变的定义为

(3)

式(3)中：δij为Kronecher符号；μi=xi(Xj,t)-Xj为初始构形中的位移矢量。

1.1.3守恒方程

1.1.3.1 质量守恒方程

采用Lagrange法描述的质量守恒表达式为

ρ0(X,t)J(X,t)=ρ(X)

(4)

式(4)中:ρ0为初始构形的质量密度，kg/m3；J为体积变化率；ρ为当前构形的质量密度，kg/m3。

1.1.3.2 动量守恒方程

作用在运动系统上的外力总和等于其动量的物质导数，即

(5)

式(5)中:bi为作用在物体单位质量上的力，N/kg；ti为面上的作用力，N/m2。

1.1.3.3 能量守恒方程

系统总能的变化率等于外力的功率，即

(6)

式(6)中：wint为单位质量的内能，J/kg。

1.2材料模型及失效准则

1.2.1弹塑性模型

当弹塑性模型材料所受应力小于屈服应力时，应力与应变呈线性关系；当所受应力大于屈服应力时，材料进入塑性阶段。其本构方程为

(7)

1.2.2材料失效准则

利用极限等效性应变准则对船舶结构进行失效判断，表现为结构单元的删除。在计算过程中，参考已有的研究经验[11]将失效应变取为0.15。

2 数值建模

2.1建模方法

采用附加水质量法建立船舶碰撞数值模型，将流体对船舶运动及变形造成的影响以附加质量的形式作用到船体上。

1) 对于船舶横向运动时对应的附加水质量，MINORSKY假定其表达式为

myy=0.4m

(8)

式(8)中：myy为船体横向运动附加水质量，kg；m为船体质量，kg。

此后，相关人员[12]对式(8)进行修正，得到

myy=(0.4～1.3)m

(9)

2) 对于船舶纵向运动时对应的附加水质量，文献[12]研究得出其表达式为

mxx=(0.02～0.07)m

(10)

式(10)中：mxx为船体纵向运动附加水质量，kg；m为船体质量，kg。

2.2几何模型

2.2.1参数定义

2.2.1.1 单元类型

船体单元采用Thin Shell 181，用于分析非线性形变，适合对具有一定厚度的壳体进行结构分析。

2.2.1.2 材料模型

选择塑性动态材料模型作为船体结构的材料模型，即Plastic Kinematic Model。具体参数设置见表1。

2.2.2模型简化

对结构损伤的数值研究主要涉及结构分析，其基本物理量包括质量、长度和时间。表2为ANSYS/LS-DYNA中常用的单位制。

在几何建模过程中，需对船舶几何模型进行适当的简化处理：

表1 塑性动态材料模型的参数设置

表2 ANSYS/LS-DYNA中常用的单位制

(1) 将船体简化为双层底和舷侧结构的形式，保证质量和质心分布与实船相似；

(2) 采用附加水质量法，将流体的影响以附加质量的方式作用到船体上，省去流体的建模工作；

(3) 对船舶底部结构中的小尺寸构件(如小肋板等)作适当的等效处理。

此外，对于撞击船，仅建立船首模型，但需在船首和船尾添加附加模块(即附加质量)，使撞击船的质量与考虑附加水质量后的总质量相同。

2.2.3规范要求

研究的被撞LNG船模型严格按照中国船级社(China Classification Society,CCS)颁布的《内河船舶抗碰撞能力评估指南》《液化天然气燃料加注船舶规范(2015)》及《钢质船舶建造规范(2014)》的要求建立。

(1) 规范中对LNG船的要求有：

① 《钢质船舶建造规范(2014)》要求采用A级钢，船壳厚在0～30 mm；《内河船舶抗碰撞能力评估指南》和《液化天然气燃料加注船舶规范(2015)》均要求船舶舷侧板厚度不小于《钢质船舶建造规范(2014)》中规定厚度的1.15倍(此时，LNG液货罐距外板距离取值最小为1 m)。

② 《钢质船舶建造规范(2014)》要求内河钢质船的船长>50 m时，肋骨或纵骨间距≤700 mm，且强力甲板及其以下主体部分的肋骨或纵骨间距与板厚之比≤120。

(2) 参考实船数据，结合规范，LNG船模型相关参数最终取值为：① 船壳外板厚度12 mm；LNG球罐外罐厚度30 mm；加强肋骨(纵骨)间距2.4 m，厚度12 mm。

对于撞击船，所有散货船船首建模数据均参考《钢质船舶建造规范(2014)》中的内河散货船船型参数。

2.2.4实体模型

利用Solidworks软件进行建模，过程如下。

(1) 船舱几何模型：依次建立横剖面草图、整体舱室模型、分舱模型，最终得到完整的舱室模型(见图1)。

图1 完整的舱室模型

(2) 船首几何模型：依次建立船首基准面、船首草图及引导线，最终得到船首模型(见图2)。

图2 船首模型

(3) 船尾几何模型：船尾模型见图3，包含建模过程中建立的基准面、草图及最终放样模型。

图3 船尾模型

2.3模型导入及前处理

2.3.1几何模型的导入

几何建模在三维建模平台Solidworks中完成，前处理在ANSYS Workbench中进行。2种软件之间传输的格式为.SLDPRT。

2.3.2前处理

模型导入ANSYS Workbench后需进行前处理，主要包括以下3个方面：

(1) 几何模型完善，主要包括检查模型质量、附加厚度及赋予材料参数。

(2) 几何模型接触设置。对属于同一个整体的曲面施加bonded接触；在撞击船和被撞船之间添加frictional接触；动摩擦因数和静摩擦因数都取0.3。

(3) 网格划分。在ANSYS中采用Automatic模式(即自动化分)划分网格。

2.4求解参数设置

在利用ANSYS计算之前，需对求解参数进行设置，主要包括撞击船速度、被撞船约束、最大能量误差(设为0)、时间步长(设为0.6)、系统单位(m/kg/s)和计算时间。

参数设置好之后，将Workbench输出的.k文件输入到ANSYS中即可计算(见图4)。

a) 输入.k文件

b) 计算进行中

c) 计算完成图4 计算流程

3 数值分析

3.1碰撞方案

参考内河通航环境，撞击船选1万t，2万t，3万t，4万t及5万t散货船；被撞LNG船按舱容选2 000 m3,4 000 m3,6 000 m3,8 000 m3和10 000 m3小型LNG船;船体结构采用双层壳、双层底，货舱均为C型货舱。

依据均匀设计试验法[13]作试验安排(见表3)，最终需进行5组试验。

3.2碰撞结果

经过数值计算，得到.d3plot输出文件，在LS-Prepost软件中进行后处理，得到后处理结果(90°撞击)汇总见表4。

表3 试验方案

表4 后处理结果汇总

表4给出被撞船内、外壳裂口大小，裂口大小刚好>0时的速度为临界速度(临界速度对应的裂口大小为0～1 m2)。

3.3结果分析

根据以上计算结果可得到各情形下LNG船内壳、外壳破裂临界速度汇总见表5和表6。

对以上数据进行回归分析，以撞击船和被撞船的载重量W1(万t)及W2(万m3)为自变量，以外壳、内壳破裂临界速度vc1(kn)和vc2(kn)为因变量，可得到关系式

表5 外壳破裂临界速度汇总

表6 内壳破裂临界速度汇总表

vc1=6.04-0.133W1-1.067W2

(11)

vc2=10.6-0.8W1+3.5W2

(12)

以6 000 m3，8 000 m3和10 000 m3LNG船为目标船，可得出其内壳、外壳破裂临界速度与撞击船吨位的关系曲线(见图5)。

图5 临界速度曲线

4 结束语

根据船舶碰撞数值研究结果，得到内河小型LNG船遭遇正面碰撞时的内壳和外壳破裂临界速度经验公式。通过研究，得到以下结论：

1) 可对相关航段上的会遇船进行航速安全管理。设某航段可通航2万t的船舶，则以2万t散货船撞击1.2万m3LNG船，可得出vc1=4.493 kn，vc2=13.2 kn。若将2万t散货船的航速限制在4.5 kn以下，则可保证LNG船外壳不破裂；若将航速限制在13 kn以下，则可保证LNG船内壳不破裂。

2) 撞击船或被撞船载重量越大，则被撞LNG船外壳破裂的临界速度越小，即外壳更易破裂；撞击船载重量越大，则被撞LNG船内壳破裂临界速度越小，即内壳更易破裂。此外，由于LNG船边舱宽度及舷侧构件等会随着LNG船容积的变化而变化，被撞LNG船的舱容对内壳破裂临界速度的影响较为复杂，视实际情况而定。

3) 严格控制LNG船在内河航行过程中的会遇航速，可在取消设置高成本的移动安全区的同时，有效控制LNG船航行过程中的碰撞事故后果，降低事故整体风险。该研究有利于推进内河LNG运输船的发展。

[1] 何继强.小型LNG运输船在中国的发展前景[J].船舶工程,2012,34(4):4-6.

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[13] 赵选民.试验设计方法[M].北京:科学出版社,2006.

SimulationofCollisionStructureDamageofSmallLNGCarrierinInlandRiver

DOUXu，WUWanqing,SONGMing

(Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian 116026，China)

The process that a small LNG(Liquefied Natural Gas) carrier being hit by a bulk carrier in inland river environment is simulated numerically.The Solidworks is used as the platform of geometry modeling,and the finite element software ANSYS for numerical simulations.The uniform design experimentation is used to arrange the experiment plan,and the empirical formulas for the critical speed are derived through regression analysis of result data.The proposed method allows the speed control of approaching ships according to the dimension of the LNG carrier and the tonnage of the bulk carrier so as to protect small LNG carriers from the collision accident without introducing a moving safety zone.

ship collision; structural damage; numerical simulation; regression analysis

U661.4

A

2017-02-26

交通运输部海事局2014年科技项目(2014-15)

窦 旭(1992—)，男，安徽巢湖人，硕士生，从事船舶安全与污染控制研究。E-mail:1184956010@qq.com

吴宛青(1963—)，男，江西南昌人，教授，博士生导师，从事船舶安全与污染控制研究。E-mail:793989102@qq.com

1000-4653(2017)02-0088-05