[轉帖]船舶碰撞同步損傷過程研究MSC.Dytran

天鳥

2006年5月18日 22:19

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來自：振動論壇

隨著船舶運輸的發展，海上事故也有所增加，船舶碰撞更是時有發生。船舶碰撞一般涉及撞擊船和被撞船兩方，發生碰撞時它們同時會有不同程度的損傷變形，但對這一過程進行準確地理論分析卻非常困難。本文采用非線性有限元數值仿真方法，同時考慮了撞擊船和被撞船結構雙方的變形，對船舶碰撞同步損傷過程進行了研究。

一、前言

船舶碰撞是船體結構在很短的時間內，在巨大沖擊載荷作用下的一種復雜的非線性動態響應過程。一般來說，碰撞至少涉及一艘被撞船和一個碰撞物體，或者兩艘船舶。根據被撞船中心線與碰撞船或物體速度矢量的相對位置，碰撞分為正碰和斜碰，而結構響應與相對位置有很大的關系。

在最危險的直角碰撞中，撞擊船艏和被撞船舷側結構的相對剛度和能量吸收是兩個關鍵。在一般的船舶碰撞研究中，不論是理論方法還是有限元分析方法，通常只考慮被撞船舷側的變形，而把撞擊船的船艏設定為剛體以簡化計算及分析。比如，一般的船舶舷側板遭球鼻艏撞擊時的理論公式及簡化公式中，都將撞擊船艏視為剛體，從而大大簡化碰撞分析過程。在有限元模擬船舶碰撞的分析中，通常將被撞船的舷側撞擊區處理成可變形結構，撞擊船的艏部作剛體處理，這樣可以大大簡化分析和計算，也是偏安全的，一般可以作為近似結果。但若從碰撞研究的角度來看，考慮碰撞雙方的真實變形和吸能，對船舶碰撞過程進行真實模擬也是必不可少的，因此本文采用大型動態分析軟件MSC.Dytran，對撞擊船艏部和被撞船舷側的同步損傷特性進行碰撞仿真研究。

二、碰撞模型

為了研究一種比較普遍且危險的狀態，本文假設兩艘相同型號的船發生垂直碰撞，碰撞時它們的吃水狀態相同，正浮于水面。為了減少建模工作量，縮短計算時間，不必將兩艘船舶的全船模型作為有限元分析的計算模型。

本文將撞擊船的艏部和被撞船的舷側撞擊區處理成可變形結構，作為計算模型，通過定義邊界約束和大質量單元來模擬全船模型的碰撞效果，碰撞時被撞艦船靜止在水面上，舷側受到另一艘艦船艏部的垂直撞擊，碰撞模型如圖1所示。

圖1 碰撞模型

模型采用某型護衛艦艦體結構形式，艏部模型取為艏柱至15#肋位的一段艦體，舷側模型取94#肋位至114#肋位艦體，艦體材料相同，采用線性強化彈塑性模型，并考慮材料應變率敏感性。由于艦艏和舷側結構有限元模型的網格大小不同，它們的最大塑性失效應變分別為0.43和0.33。

有限元全部采用4節點殼單元，模型的節點數為24763，單元數為24515，如圖2所示。

圖2 有限元模型

三、計算結果及其分析

利用大型非線性有限元動態響應分析程序MSC.Dytran，對上述碰撞模型進行數值仿真。在P4計算機上，追蹤計算到大約撞深0.45米時（此時上甲板和舷側外板已經破裂），需運算約23小時（82,014秒）。

1.結構同步損傷變形

艦艏結構與舷側結構撞擊后的損傷變形結果，如圖3所示。

圖3 船艏與舷側結構碰撞損傷變形（局部）

從圖3中可以看出，由于噸位與吃水狀態相同，球鼻艏結構并沒有接觸碰撞到被撞船舷側，與舷側結構發生碰撞的是水線上方艏柱前傾部分，被撞船的碰撞區域在上層甲板及相連的舷側外板。從圖中還可以看出，撞擊船艏的艏柱部分已經切入到了被撞船的舷側內部，這時被撞船的舷側外板和上甲板均發生了破裂，但撞擊船艏部沒有大的變形和損傷，也沒有破裂。

值得注意的是，碰撞使撞擊船艏部在船長方向發生了傾斜。在真實側向垂直碰撞時，撞擊船也會發生縱向的傾斜，但本文數值計算的艏部傾斜狀態與真實狀態略有不同，產生這種情況的原因有以下幾點。

(1)將撞擊船簡化成只有艏部結構，整船重量加于船艏的后部，雖然保證了沖擊的動能不變，但全船撞擊時的縱向轉動軸心要遠遠大于船艏結構的縱向轉動軸心，即船長方向的慣性矩不同使傾斜角度與真實情況相比偏大。

(2)被撞船簡化成一個舷側艙段后，兩端施加了約束，限制了船寬方向的轉動，也使得艏部的仿真計算傾斜角度與真實情況相比偏大。

(3)真實情況下船舶碰撞發生在水中，水對其運動有阻尼作用，而仿真計算時沒有考慮水的影響，也會使艏部發生較大的傾斜角度。

雖然在碰撞過程中，艏部的碰撞姿態與真實情況存在些許差別，但基本不影響結果的正確性。

2.撞擊船艏部結構的損傷變形

撞擊船艏結構發生碰撞后的損傷變形情況，如圖4所示。