船舶碰撞的案例
[轉帖]船舶碰撞同步損傷過程研究MSC.Dytran
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 船舶碰撞同步損傷過程研究MSC.Dytran
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 lsdyna船舶橋梁碰撞模型
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 船舶與浮冰的碰撞仿真模擬
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。
Workbench lS-DYNA船舶碰撞仿真案例，詳解視頻及原模型 ￥69
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。
展開 橋梁受船舶碰撞坍塌的仿真
基于已發的交通事故，論文建立了完整的船舶模型和橋梁系統模型，應用工程理論和CAE技術顯式有限單元法模擬船-橋碰撞、破損和坍塌過程，為經濟合理的橋梁防撞設計、防護、補強、交通管理等提供參考和依據。
查看全文：http://service.caenet.cn/Cases77.html
港珠澳大橋設計之美-3
橋墩、具有代表性的船舶與防撞鋼套箱分別采用單元模擬，以最不利的船舶正撞方式進行撞擊分析，對橋墩設置鋼套箱后的撞擊力及鋼套箱的防撞性能進行了比較分析。
防撞套箱的設計綜合考慮了重力、浮力、船舶碰撞力等荷載；船舶采用殼單元進行模擬，主要包 括船首、船身，以及船首與船身之間的過渡部位。
橋梁在被船舶撞擊的過程中，由于碰撞時間較短，對整個橋梁結構產生的沖擊作用大多也主要集中于被撞塔墩。在碰撞過程中，考慮船首剛度對撞擊力大小的影響比塔墩的抗推剛度要大得多，以及主要是對塔墩設置鋼套箱后的防撞效果的評估，因此，塔墩的有限元模擬可以采用簡化方式進行。
結果表明，橋塔墩設置的鋼套箱能有效地降低撞擊力，具有很好的防撞效果，且鋼套箱在受撞部位損傷較大，但在其他部位保存完好，可對受撞鋼套箱節段進行更換或維修即可。
層層闖關，終得成功。這個21創造了橋梁建筑新里程碑的項目，一定能推動行業的進步。
展開 MSC.Dytran基礎培訓教程 MSC.Dytran基礎培訓教程 下載 收藏 加入文輯
目前已有的應用Dytran作分析的典型的工程問題有：
● 氣囊充氣過程分析
● 氣囊與乘員的交互作用分析
● 鈑金成形分析
● 武器系統設計分析
● 鳥撞航空結構分析
● 結構承受爆炸波載荷的響應分析
● 高速彈丸穿透分析
● 船舶碰撞分析
● 車輛碰撞分析
由于MSC.Dytran具有強大的仿真功能，從理論上講幾乎可以模擬任何力學過程，用戶根據自己的需要，創造性地運用該程序，能夠開發出許多新的、精彩的應用功能來。這也正是MSC.Dytran的魅力所在。...............
MSC.Dytran基礎培訓教程.pdf
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使用軟件：Ls-dyna
需求描述：模擬海冰與船舶碰撞，裂紋擴展進而彎曲破碎的過程！只要一個能弄出以上兩點效果的算例即可！
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展開 SACS軟件渤海海域導管架平臺船舶撞擊性能分析 附SACS軟件手冊模塊說明下載
所以，船舶撞擊石油平臺的分析研究工作至關重要。
API，DNVGL，ISO19902等海洋結構物相關規范中都有涉及船撞分析指導做法，但較為籠統，相關參數選取不符合我國海域實際情況。本文以渤海某實際項目為依托，在進行參數適應性研究的基礎上，采用SACS軟件Collapse模塊對船撞分析進行較深入研究，圓滿完成工程設計任務。
1. 基本原理
船舶撞擊平臺的分析研究按照時間歷程可以分為兩個過程：撞擊階段的研究和撞擊后的分析研究。
1）撞擊階段，碰撞的過程實質是一個能量的轉換與傳遞的過程。研究是建立在機械能守恒的基礎之上。因為碰撞的過程很短暫，可以將其視為一個準靜態的過程。船舶撞擊平臺是典型的非彈性碰撞。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。
b、整個結構的整體變形。
2）撞擊后分析，是研究平臺在遭受撞擊后，損壞構件在不修復的情況下，在一年一遇的最大環境荷載下，是否可以正常工作，保證充足的時間對結構進行修復。
2.
展開 論文導讀 | 復合材料護舷實船碰撞仿真方法及防護機理
導 語
本期推介的“復合材料護舷實船碰撞仿真方法及防護機理”論文發表在上海交通大學學報2023年第6期。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！
復合材料護舷實船碰撞仿真方法
01本文亮點
1. 開展了復合材料護舷內層吸能泡沫和外層聚氨酯的壓縮與拉伸試驗測試，并根據材料力學性能確定數值仿真中的材料模型。
2. 根據實際碰撞情況，建立含不同護舷的船體以一定初速度撞擊剛性碼頭的分析模型，對比分析了橡膠護舷與復合材料護舷的防護機理，并對不同制備形式下復合材料護舷的吸能特性進行分析。
02內容簡介
開展裝配橡膠和復合材料護舷的船體在靠泊工況下與碼頭的碰撞動力學仿真計算。首先，選擇適當的材料模型參數，計算橡膠護舷吸能特性并與規范進行對比，驗證模型的適用性。對于復合材料護舷，根據材料力學性能測試所得數據，選擇低密度泡沫模型和超彈性本構模型分別模擬內層吸能泡沫和外層聚氨酯，從而結合幾何模型、接觸設置及邊界條件形成碰撞仿真方法；隨后，基于變形與能量轉換關系，對船體-護舷-碼頭的碰撞特性展開具體分析；最后，調整復合材料芯體剛度、船體剛度、外層保護結構厚度及拉伸剛度，對影響護舷防護特性的因素進行分析。結果表明，提出的新型復合材料護舷，較傳統橡膠護舷有更大的吸能比，且令船體結構不發生損傷的極限動能更大。
展開 
正式開通！造船人“托起”港珠澳大橋！
尤其是在突破了海底隧道最長、隧道埋深最大、單個沉管體量最大、使用壽命最長、隧道車道最多等多個世界級難題的6.7公里海底隧道施工過程中，從120個鋼圓筒快速筑島的創新工法，到33節“巨型航母”般的沉管對接，再到6000噸級最終接頭的海上吊裝，我們不僅能看到造船人甘于奉獻的身影，而且他們自主研制的裝備、船舶成為港珠澳大橋建設的“利器”， “托起”了這座“世紀工程”。
中船黃埔文沖船舶有限公司完成了港珠澳大橋止水套箱及鋼圓筒、防撞套箱、門座吊機等項目。其中，止水套箱及鋼圓筒主要用于非通航孔橋墩臺安裝；而防撞套箱即橋墩的保護圈，一旦船舶碰撞橋梁時，它將通過自身主體結構吸收撞擊能量，最大限度地降低船舶和主墩損傷，起到保護橋梁和船舶的作用。在項目建設過程中，黃埔文沖還承修了港珠澳大橋香港段建筑用鋼結構架。
航道橋的橋墩加裝了防撞套箱
墩臺安裝鋼套箱進行止水作業
用鋼圓筒圍堰方式打造“無水空間”
黃埔文沖制作的鋼圓筒
黃埔文沖制作的防撞套箱
為滿足沉管隧道基槽工程需要，黃埔文沖還為廣州航道局新建了10288立方米自航耙吸挖泥船“浚海5”號、“浚海6”號用于工程建設。
展開 船舶VHF協議避讓的這些“坑” 你跳過嗎？
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。
一號坑
搞錯對象
1995年3月22日，“B”輪與“T”輪在霧航情況下于廣東沿海發生碰撞，導致“B”輪沉沒。我們來看看兩船碰撞前的VHF通話情況：
0700時，“B”輪船長用 VHF16頻道呼叫：“甲子角外南下船，B輪呼叫，各自向右轉向，左舷通過。”此時“B”輪聽到 VHF 回答：“同意向右轉向”，但不知道回答船的船名。隨后，“B”輪船長向右改向20°左右。
5分鐘后，“B”輪船長、大副聽到兩聲汽笛聲號，“B”輪船長意識到來船“T”輪正在向左轉向，隨即用VHF喊叫：“來船千萬不要向左轉向”。但為時已晚，最終“T”輪球鼻艏呈直角撞入“B”輪貨艙，導致“B”輪大量進水而沉沒。
事后調查得知，“B”輪使用VHF企圖協調“T”輪與自己左對左通過，雖然“B”輪在VHF里聽到“同意向右轉向”的回答，但這卻是另一船的回答，“B”輪船長誤以為“T”輪同意向右轉向從而導致事故發生。
避坑策略
VHF16頻道是船舶的公共頻道，嘈雜的環境既會導致信息的失真，也會引發船舶間的誤解。船舶在使用VHF協議避讓時，應在公共頻道建立聯系基礎后，相約切換至其他頻道溝通，確保信息傳輸的質量和安全。
展開 利用ANSYS/LS-DYNA仿真計算
LS-DYNA在1976年由美國勞倫斯·利沃莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）J.O.Hallquist博士主持開發，時間積分采用中心差分格式，當時主要用于求解三維非彈性結構在高速碰撞、爆炸沖擊下的大變形動力響應，是北約組織武器結構設計的分析工具。LS-DYNA的源程序曾在北約的局域網Pubic Domain公開發行，因此在廣泛傳播到世界各地的研究機構和大學。從理論和算法而言，LS-DYNA是目前所有的顯式求解程序的鼻祖和理論基礎。 1988年，J.O.Hallquist創建利沃莫爾軟件技術公司（Livermore Software Technology Corporation），LS-DYNA開始商業化進程，總體來看，到目前為止在單元技術、材料模式、接觸算法以及多場耦合方面獲得非常大的進步。1996年功能強大的ANSYS前后處理器與LS-DYNA合作，命名為ANSYS/LS-DYNA，目前是功能最豐富，全球用戶最多的有限元顯式求解程序。 ANSYS/LS-DYNA的用戶主要是發達國家的研究機構、大學和世界各地的工業部門（航空航天、汽車、造船、零件制造和軍事工業等）。應用領域是：高速碰撞模擬（如飛機、汽車、火車、船舶碰撞事故引起的結構動力響應和破壞）、乘客的安全性分析（保護氣囊與假人的相互作用，安全帶的可靠性分析）、零件制造（沖壓、鍛壓、鑄造、擠壓、軋制、超塑性成形等）、罐狀容器的設計、爆炸過程、高速彈丸對板靶的穿甲模擬、生物醫學工程、機械部件的運動分析等。 ANSYS/LS-DYNA強大功能的基礎是求解器的理論基礎和豐富算法。下面僅就LS-DYNA在模擬沖壓、鍛壓和鑄造等工藝過程的功能和特色進行說明： 1.
展開 MSC用戶大會演講嘉賓 揭秘~~！！看看國防軍工航空航天的大咖
演講人：張金軍（南通航運職業技術學院講師）
簡介：
船舶與海洋結構物設計制造專業工學碩士，南通航運職業技術學院講師，主要從事船舶專業的教學與科研工作。運用MSC軟件完成多個船舶強度（總縱強度、橫向強度和局部強度等）的校核以及船舶碰撞分析等項目。
演講人：石川千（航天八院509所工程師）
簡介：
石川千，上海航天八院509所工程師，主要從事衛星結構設計計算，結構非線性動力學研究。
演講人：孫玥（香港理工大學紡織與制衣系科研助理）
簡介：
孫玥，香港理工大學紡織與制衣系科研助理，主要從事有限元仿真和非線性研究，有多年有限元仿真和實踐的經驗。曾就讀于北京工業大學工程力學專業，從力學與振動控制研究方向，對非線性動力學的理論和應用仿真有較深的造詣。現致力于人體工程學與有限元仿真結合的研究。
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