v型夹层板新式舷侧结构碰撞性能分析
摘 要摘 要船舶间的碰撞事故是一种严重的海上安全事故，它会造成船舶结构的失效、运载货物的泄露甚至船上人员的伤亡,对船舶的安全航行产生威胁。而如果碰撞又发生在运载化学品或者是原油等货物的船中，那么碰撞带来的危害将会严重影响周边的生态环境，带来不可估量的后果。因此加强对船舶碰撞现象的研究、提高船舶的耐撞性能从而保障船舶的安全航行有着非常重要的实际意义。夹层板结构具有优越的抗冲击性能以及良好的吸能效果，可作为耐撞结构应用于船舶舷侧结构中，从而提高其碰撞性能，进而提升船舶在航行过程中的安全性。本文利用非线性有限元仿真软件ABAQUS，分别建立了传统舷侧板架结构及V型夹层板结构在被船鼻艏碰撞过程中的有限元模型，分析了它们在碰撞过程中的速度变化、结构损伤变形、碰撞力和能量吸收等结果，并通过对比分析比较它们之间碰撞性能的优劣；本文还系统分析了碰撞参数对V型夹层板结构碰撞性能的影响。结果表明，V型夹层板结构具有良好的碰撞性能，并且优于传统舷侧板架结构。本文主要研究内容如下：⑴建立传统舷侧板架结构的有限元模型；对碰撞过程中的速度变化、结构损伤变形、碰撞力、能量吸收等结果进行分析；⑵V型夹层板结构的概念设计和V型夹层板局部板架结构有限元模型的建立；对碰撞过程中速度变化、结构损伤变形、碰撞力、能量吸收等结果进行分析；⑶将V型夹层板结构与传统舷侧板架结构的碰撞性能进行对比，综合评定V型夹层板的碰撞性能，得出V型夹层板的确具有优越碰撞性能的结论；⑷分析当船鼻艏分别以不同撞击初速度、不同撞击倾斜角度、不同撞击质量撞击V型夹层板时，对V型夹层板结构碰撞性能的影响。关键词：船舶碰撞；碰撞性能；舷侧结构；V型夹层板 目录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究背景及意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 船舶碰撞问题的研究方法 2
1.4.1 内部碰撞力学 3
1.4.2 外部碰撞力学 3
第二章 传统舷侧板架结构碰撞性能分析 5
2.1 传统舷侧板架结构有限元模型 5
2.2 传统舷侧板架结构仿真计算及结果分析 6
2.2.1 速度变化分析 6
2.2.2 结构损伤变形分析 7
2.2.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
碰撞问题的研究方法 2
1.4.1 内部碰撞力学 3
1.4.2 外部碰撞力学 3
第二章 传统舷侧板架结构碰撞性能分析 5
2.1 传统舷侧板架结构有限元模型 5
2.2 传统舷侧板架结构仿真计算及结果分析 6
2.2.1 速度变化分析 6
2.2.2 结构损伤变形分析 7
2.2.3 碰撞力分析 8
2.2.4 能量分析 9
2.3 本章小结 10
第三章 V型夹层板结构碰撞性能分析 11
3.1 V型夹层板结构概念设计 11
3.2 V型夹层板有限元模型 11
3.3 V型夹层板仿真计算及结果分析 12
3.3.1 速度变化分析 12
3.3.2 结构损伤变形分析 13
3.3.3 碰撞力分析 15
3.3.4 能量分析 16
3.4 传统舷侧板架结构与V型夹层板结构的碰撞性能对比分析 18
3.5 本章小结 22
第四章 碰撞参数对V型夹层板结构碰撞性能的影响分析 24
4.1 船鼻艏撞击初速度对V型夹层板结构碰撞性能的影响 24
4.1.1 碰撞力分析 24
4.1.2 能量分析 26
4.2 船鼻艏撞击倾斜角度对V型夹层板结构碰撞性能的影响 27
4.2.1 碰撞力分析 28
4.2.2 能量分析 29
4.3 船鼻艏撞击质量对V型夹层板结构碰撞性能的影响 31
4.3.1 碰撞力分析 31
4.3.2 能量分析 33
4.4 本章小结 34
结论与展望 36
致谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 引言
随着经济全球化及国家间对外贸易的发展，海上运输作为一种重要的贸易途径也变得越来越频繁，然而固有的国际水运航道有时也无法满足日益频繁的船舶航行，因此船舶碰撞现象的发生屡见不鲜。船舶碰撞可能会造成严重的海上事故，它会导致船舶结构的失效，装载货物的泄漏、经济财产的损失甚至会导致人员伤亡。因此加强对船舶碰撞领域的研究，尤其是对容易受到损伤的舷侧结构的研究，提高其耐撞性能，对保障船舶的安全航行及周边的生态环境具有重要意义。夹层板结构具有抗冲击性能好、比强度高、焊接变形小等优点。其中，V型夹层板作为一种新型的耐撞结构已广泛运用到一些舰船的设计上，它具有良好的力学性能及优异的吸能效果。因此将V型夹层板结构作为耐撞结构应用到舷侧结构设计上，并对其进行耐撞性分析，综合评定其耐撞性能，对船舶航行安全性的提升及未来舷侧的结构发展方向有一定的实际意义和参考价值。
1.2 研究背景及意义
1912年被称为“永不沉没的巨轮”的泰坦尼克号在作处女航时撞上冰山，5个底舱的外壁被冰山撕裂，船裂成两半后沉入北大西洋，导致了1503人随着船舶葬身海底，使得这一海上事故在当时震惊了全世界。而影响最大的一次搁浅事故则要属“Exxon Valdez”油轮，它在1989年从阿拉斯加航行至加利福尼亚的途中不幸撞上暗礁，在触礁的6小时内溢出了约1.08亿加仑的原油，眼中污染了阿拉斯加数千海里的海岸线，仅是清理费用就高达25亿美元，因此也被评为“史上最昂贵的十大事故之一”。根据英国劳氏船级社在1995年的统计，各类船舶事故中由于碰撞和搁浅引发的事故占到了总数的50%[1-2]。而在我国，据长江港监部门在1997年的统计，长江全年全线共发生大中型海损事故413起，其中因船舶碰撞引发的事故就有221起，占到了总数的57%。从统计结果来看，船舶碰撞现象无疑是影响船舶安全航行的一个重要因素。
由此可见，致力于研究并提升船舶的耐撞性能，减轻船舶碰撞类事故带来的影响，无论是从经济上、安全上还是环境保护上都具有极其重要的意义。
1.3 国内外研究现状
船舶碰撞的研究工作可以追溯到20世纪50年代后期以Minorsky[3]为首的专家学者为防止核动力船在碰撞过程中因受损而发生核泄漏而进行的研究；一直到20世纪70年代核动力船的耐撞性能一直是船舶类学术研究的焦点。到了80年代，由于能源紧张和石油的大量开采，且相继发生了多起油船碰撞搁浅事故，这些事故致使船壳破损、原油外泄，造成了巨大的经济损失并且严重影响了周边地区的生态环境，因此越来越多的专家学者将船舶碰撞性能的研究重点放在了油船上，油船结构也由单壳油船发展到了双壳油船；自从1989年美国阿拉斯加海岸发生的大型油轮“Exxon Valdez”的搁浅事故后，船舶碰撞方面的研究以及结构设计规范都开始高速发展，新的耐撞结构形式不断被提出，主要研究的船型也从一般船舶发展到如VLCC、LNG、FPSO等的高附加值船型。Lee[4]等专家学者通过大量试验和仿真研究，提出了内外肋骨交叉布置和舷侧加装吸能圆管这两种耐撞双壳舷侧结构，而这两种舷侧结构在受到碰撞后的损伤变形程度与当时设计中常用的舷侧结构在受撞后的损伤变形程度相比明显减轻了许多。
虽然我国在上个世纪也已经开始了船舶碰撞方面的研究，但是由于当时的科研经费有限、研究方法也比较落后，导致我国在船舶碰撞领域的实质性研究起步较晚。然而随着我国经济水平的提升和造船实力的提高，目前已经有相当一部分的专家学者从事船舶碰撞领域的相关分析，并且取得了一些值得肯定的成果。王自力、张延昌[5]通过非线性有限元仿真模拟的方法，着重分析舷侧结构遭受横向碰撞力的情况，并分别从碰撞力、损伤变形、能量吸收等几个方面进行对比讨论，提出了折叠式和蜂窝式舷侧耐撞结构，而这两种夹层板结构的试验结果表明它们的确比常规舷侧结构拥有更为良好的耐撞性能。
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第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究背景及意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 船舶碰撞问题的研究方法 2
1.4.1 内部碰撞力学 3
1.4.2 外部碰撞力学 3
第二章 传统舷侧板架结构碰撞性能分析 5
2.1 传统舷侧板架结构有限元模型 5
2.2 传统舷侧板架结构仿真计算及结果分析 6
2.2.1 速度变化分析 6
2.2.2 结构损伤变形分析 7
2.2.
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碰撞问题的研究方法 2
1.4.1 内部碰撞力学 3
1.4.2 外部碰撞力学 3
第二章 传统舷侧板架结构碰撞性能分析 5
2.1 传统舷侧板架结构有限元模型 5
2.2 传统舷侧板架结构仿真计算及结果分析 6
2.2.1 速度变化分析 6
2.2.2 结构损伤变形分析 7
2.2.3 碰撞力分析 8
2.2.4 能量分析 9
2.3 本章小结 10
第三章 V型夹层板结构碰撞性能分析 11
3.1 V型夹层板结构概念设计 11
3.2 V型夹层板有限元模型 11
3.3 V型夹层板仿真计算及结果分析 12
3.3.1 速度变化分析 12
3.3.2 结构损伤变形分析 13
3.3.3 碰撞力分析 15
3.3.4 能量分析 16
3.4 传统舷侧板架结构与V型夹层板结构的碰撞性能对比分析 18
3.5 本章小结 22
第四章 碰撞参数对V型夹层板结构碰撞性能的影响分析 24
4.1 船鼻艏撞击初速度对V型夹层板结构碰撞性能的影响 24
4.1.1 碰撞力分析 24
4.1.2 能量分析 26
4.2 船鼻艏撞击倾斜角度对V型夹层板结构碰撞性能的影响 27
4.2.1 碰撞力分析 28
4.2.2 能量分析 29
4.3 船鼻艏撞击质量对V型夹层板结构碰撞性能的影响 31
4.3.1 碰撞力分析 31
4.3.2 能量分析 33
4.4 本章小结 34
结论与展望 36
致谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 引言
随着经济全球化及国家间对外贸易的发展，海上运输作为一种重要的贸易途径也变得越来越频繁，然而固有的国际水运航道有时也无法满足日益频繁的船舶航行，因此船舶碰撞现象的发生屡见不鲜。船舶碰撞可能会造成严重的海上事故，它会导致船舶结构的失效，装载货物的泄漏、经济财产的损失甚至会导致人员伤亡。因此加强对船舶碰撞领域的研究，尤其是对容易受到损伤的舷侧结构的研究，提高其耐撞性能，对保障船舶的安全航行及周边的生态环境具有重要意义。夹层板结构具有抗冲击性能好、比强度高、焊接变形小等优点。其中，V型夹层板作为一种新型的耐撞结构已广泛运用到一些舰船的设计上，它具有良好的力学性能及优异的吸能效果。因此将V型夹层板结构作为耐撞结构应用到舷侧结构设计上，并对其进行耐撞性分析，综合评定其耐撞性能，对船舶航行安全性的提升及未来舷侧的结构发展方向有一定的实际意义和参考价值。
1.2 研究背景及意义
1912年被称为“永不沉没的巨轮”的泰坦尼克号在作处女航时撞上冰山，5个底舱的外壁被冰山撕裂，船裂成两半后沉入北大西洋，导致了1503人随着船舶葬身海底，使得这一海上事故在当时震惊了全世界。而影响最大的一次搁浅事故则要属“Exxon Valdez”油轮，它在1989年从阿拉斯加航行至加利福尼亚的途中不幸撞上暗礁，在触礁的6小时内溢出了约1.08亿加仑的原油，眼中污染了阿拉斯加数千海里的海岸线，仅是清理费用就高达25亿美元，因此也被评为“史上最昂贵的十大事故之一”。根据英国劳氏船级社在1995年的统计，各类船舶事故中由于碰撞和搁浅引发的事故占到了总数的50%[1-2]。而在我国，据长江港监部门在1997年的统计，长江全年全线共发生大中型海损事故413起，其中因船舶碰撞引发的事故就有221起，占到了总数的57%。从统计结果来看，船舶碰撞现象无疑是影响船舶安全航行的一个重要因素。
由此可见，致力于研究并提升船舶的耐撞性能，减轻船舶碰撞类事故带来的影响，无论是从经济上、安全上还是环境保护上都具有极其重要的意义。
1.3 国内外研究现状
船舶碰撞的研究工作可以追溯到20世纪50年代后期以Minorsky[3]为首的专家学者为防止核动力船在碰撞过程中因受损而发生核泄漏而进行的研究；一直到20世纪70年代核动力船的耐撞性能一直是船舶类学术研究的焦点。到了80年代，由于能源紧张和石油的大量开采，且相继发生了多起油船碰撞搁浅事故，这些事故致使船壳破损、原油外泄，造成了巨大的经济损失并且严重影响了周边地区的生态环境，因此越来越多的专家学者将船舶碰撞性能的研究重点放在了油船上，油船结构也由单壳油船发展到了双壳油船；自从1989年美国阿拉斯加海岸发生的大型油轮“Exxon Valdez”的搁浅事故后，船舶碰撞方面的研究以及结构设计规范都开始高速发展，新的耐撞结构形式不断被提出，主要研究的船型也从一般船舶发展到如VLCC、LNG、FPSO等的高附加值船型。Lee[4]等专家学者通过大量试验和仿真研究，提出了内外肋骨交叉布置和舷侧加装吸能圆管这两种耐撞双壳舷侧结构，而这两种舷侧结构在受到碰撞后的损伤变形程度与当时设计中常用的舷侧结构在受撞后的损伤变形程度相比明显减轻了许多。
虽然我国在上个世纪也已经开始了船舶碰撞方面的研究，但是由于当时的科研经费有限、研究方法也比较落后，导致我国在船舶碰撞领域的实质性研究起步较晚。然而随着我国经济水平的提升和造船实力的提高，目前已经有相当一部分的专家学者从事船舶碰撞领域的相关分析，并且取得了一些值得肯定的成果。王自力、张延昌[5]通过非线性有限元仿真模拟的方法，着重分析舷侧结构遭受横向碰撞力的情况，并分别从碰撞力、损伤变形、能量吸收等几个方面进行对比讨论，提出了折叠式和蜂窝式舷侧耐撞结构，而这两种夹层板结构的试验结果表明它们的确比常规舷侧结构拥有更为良好的耐撞性能。
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