船舶碰撞
關注創建者：Jun＆Jazzsoul 創建時間：2017-09-02
船舶碰撞的實例教程
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。
展開 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。
展開 針對上面提到的結構簡化，對建模過程中的模型提出假設:
1、船舶是用質量塊（包含水質量）來模擬的，并且不考慮輪船在碰撞的過程所吸收的能量；
2、船舶在與防撞裝置發生碰撞的時候，橋梁上部結構所產生的動力響應不做考慮；
3、流水對船舶在碰撞當中所吸收的能量不做考慮。 利用 ANSYS/LS-DYNA 建立了模型，輪船的重量是 DWT5000 ，速度是 /m4s ，橫橋向碰撞，對此過程進行仿真模擬分析。
4.船舶及橋梁有限元計算模型
根據相關參數，建立船舶及橋梁有限元計算模型，其有限元模型如下圖所示：
圖 4.1 船舶有限元模型
圖 4.2 船舶內部隔板模型
圖 4.3 橋墩有限元模型
圖 4.4 船舶橋梁整體有限元模型
5.仿真結果及其分析
5.1碰撞力時間歷程曲線
圖 5.1 船舶橋梁碰撞力時間歷程曲線
圖 5.1 為撞擊力的時程曲線圖。根據圖中所表示的，在碰撞過程中，撞擊力的非線性是很明顯的，碰撞過程中船舶的各個構件產生破壞或者失效，由于這樣，碰撞力呈現出跳躍或者撥動。由于剛剛接觸，所以碰撞力為 0。隨著時間的增大，碰撞力也是在變大的，在 t=0.03s 時，碰撞力達到最大值。撞擊結束后碰撞力再次趨向于 0。
圖 5.2 橋墩撞擊等效塑形應力
圖 5.3 船舶撞擊等效塑形應力
圖 5.4 船舶撞擊下橋墩位移云圖
5.結論
通過 ANSYS/LS-DYNA 對橋墩防撞裝置所進行的仿真模擬的計算，可以比較直觀的描述出船橋碰撞力、結構能量的轉化以及防撞裝置的應力和變形。在碰撞過程中碰撞力曲線具有很強的非線形，還始終伴隨著船體結構構件的不斷失效和破壞形成的跳躍與卸載現象。
展開 本文針對船舶與浮冰的碰撞，提供一種簡要的CFD仿真技術路線并進行實驗結果對比，用以說明使用CFD工具實現船舶與浮冰仿真模擬的可行性。
涉及船舶結構的幾何處理，模型建立，碰撞分析，結果處理等各個方面。設置方法程詳細，結果結果合理。
1. 概述
LS-DYNA 是ANSYS Workbench中一款顯式動力學分析的模塊，廣泛應用于碰撞、沖擊、爆炸等非線性瞬態問題。其核心優勢在于處理大變形、材料失效和復雜接觸問題。以下將結合輪船/防撞梁碰撞案例，說明 LS-DYNA 的關鍵操作流程。本文檔詳細介紹了輪船碰撞仿真的主要技術點，包括幾何處理、材料定義、網格劃分、接觸設置、邊界條件、計算設置和結果分析等內容。通過本指導，用戶可以掌握輪船碰撞仿真的核心步驟和注意事項。
2. 幾何處理
2.1 幾何簡化
使用三維實體單元會導致計算量顯著增加，尤其是在沖擊和震動分析中。所以需要將三維幾何模型簡化為殼模型（Shell Model），以減少計算量。可以使用SpaceClaim、DesignModeler (DM) 或其他三維CAD軟件進行幾何處理，然后將處理好的幾何模型調入LS-DYNA模塊。
在沖擊和震動分析中，使用三維實體單元（如六面體或四面體單元）會顯著增加計算資源消耗。這是因為實體單元需要在三個維度上劃分網格，每個單元需計算位移、應力和應變等多個自由度，導致單元數量龐大且求解時間成倍增長。為解決這一問題，通常將三維幾何模型簡化為殼模型（Shell Model）。殼單元僅需在二維平面上劃分網格，并通過定義厚度參數還原結構的力學特性，既能大幅減少單元數量（通常可縮減至實體模型的10%~30%），又能有效保留結構的抗彎、抗剪性能。幾何簡化可通過專業前處理軟件（如ANSYS SpaceClaim或DesignModeler）完成，也可用其他三維CAD軟件處理。通過合理簡化模型，可在保證結果可靠性的前提下，顯著提升碰撞仿真的計算效率。
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本案例文檔，適合本科畢業設計及研究生課題研究，具有極高參考價值。涉及船舶結構的幾何處理，模型建立，碰撞分析，結果處理等各個方面。設置方法程詳細，結果結果合理。
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LS-DYNA 是ANSYS Workbench中一款顯式動力學分析的模塊，廣泛應用于碰撞、沖擊、爆炸等非線性瞬態問題。其核心優勢在于處理大變形、材料失效和復雜接觸問題。以下將結合輪船
護舷在船舶碰撞中起到重要的保護作用，相較傳統橡膠護舷，復合材料護舷吸能性能更強，有更好的耐久性和抗腐蝕能力，且力學性能與其形式密切相關。對不同制備形式、材料參數下的復合材料護舷防護機理進行研究，使其在碰撞過程中充分發揮吸能特性，具有明確的工程應用價值。歡迎相關領域的研究者閱讀、引用！
該裝置結構簡單，節省空間，系泊速度快，效率高，有效抑制船舶運動并避免船舶和碼頭的碰撞，提高安全性。
磁力式自動系泊主要原理在于其對磁力吸盤的使用。磁力吸盤有電磁式和永磁式等多種型式，而永磁式磁力吸盤按照退磁方式，又可以分為機械退磁、電力退磁和機械電力復合退磁的永磁式磁力吸盤。磁力吸盤是系泊裝置的關鍵部件，正確選用合理型式，直接關系到船舶的安全。
但正如“硬 幣總有兩面”，通過對船舶碰撞事故的大量分析不難發現，VHF協議避讓在給海上航行帶來便利的同時，也蘊含著巨大風險。下面我們將通過對幾個典型案例的分析，與大家一起來認識下這些“坑”，并從中找到避坑的對策措施。
臺風對我國沿海船舶的影響
1、在錨地避臺船舶的“血淚史”
以珠江口錨地錨泊船舶受臺風影響為例，最近幾年，多數臺風雖然未通過珠江口造次進入廣州市區，但它們在珠江口錨地轉向之前，還要給珠江口錨地的船舶釀成不少悲劇：數艘船舶走錨或錨鏈斷裂，多艘船舶互相擠壓和碰撞，數艘船舶被吹上岸，人員傷亡有之，財產損失巨大。
碰撞前，運動的船舶具有動能，碰撞接觸的一瞬間，船舶的動能一部分轉化為平臺的動能，另一部分被平臺和船舶自身吸收，轉化為平臺和船舶的應變勢能。
為了簡化問題，本文的研究進行以下假設：①船體為剛體；②船舶與平臺碰撞后均靜止。這樣，碰撞過程中，船舶的動能全部轉化為平臺結構的應變勢能，包括：
a、受沖擊構件因凹陷和梁彎曲而產生的局部變形。
圖10 模擬結果與實驗結果對比
由圖10可以看出模型結果與實驗結果非常接近，從而驗證了該船舶與浮冰碰撞模型的準確性及模擬方法的可行性。
Control methods of TRCC, PACC, TACC
圖3 基于軌跡導引的集群控制
Fig. 3 Trajectory-guided coordinated control
在全軌跡導引方面，Do[51]針對感知距離受限的欠驅動船舶，采用非線性變換、反步法、Transverse 函數法和p 次可微階躍函數，提出了無風險編隊控制器，在保持隊形穩定的同時能夠避免船舶之間發生碰撞
比如航空航天、船舶、汽車碰撞、手機跌落、核電、土木建筑橋梁等不同領域里，Nastran、LS-Dyna、Abaqus和ANSYS各占勝場。另外，案例庫的問題也可以靠官方的努力來解決，雖然困難但并不是不可能的。例如Comsol作為仿真軟件的后來者，直接把詳細的案例庫內置進軟件的菜單中，還密集發布大量中文的教程和博客，這就以極快的速度在抹平它和ANSYS、Abaqus等軟件在案例數量和質量上的差距。
在本文中，所研究是的船舶碰撞橋墩時，防撞裝置對橋墩的保護性能，重點是船舶碰撞時，所帶來的沖擊動能，然而對于船舶的變形，本文不做考慮。因此在建模的過程中，可以對船舶模型做出相應的簡化：采用考慮附帶水質量的質量塊剛體來模擬船舶。
