全耦合”分析技术的新式船体结构碰撞性能分析(附件)
随着海上交通愈加繁忙，有限航线上航行船舶的密度不断增大，船舶碰撞事故也时有发生。船舶碰撞往往会使船体破损甚至沉没，带来货物泄露、环境污染及人员伤亡等灾难性的后果。因此，船体结构碰撞性能研究和耐撞性结构设计一直被国内外学者所重视。本文基于“全耦合”分析技术，首先归纳整理了船舶碰撞仿真的基本理论及关键技术，然后以一艘159,000DWT双层壳油船的舷侧结构为研究对象，基于夹层板结构开展新式舷侧结构设计，从碰撞力、损伤变形及能量吸收等方面比较分析了原舷侧结构与夹层板新式舷侧结构的碰撞性能，此外，系统分析了撞击速度、撞击角度和撞击位置等撞击参数对舷侧结构碰撞性能的影响。得到以下主要研究结论：（1）夹层板新式舷侧结构发生损伤变形的区域较大，参与抵抗撞击的构件损伤变形的程度有所降低，并且在总质量相当的情况下总吸能升高，有效的缓解了高能碰撞对船体结构件的损害； （2）船舶发生碰撞时，对中碰撞是最危险的情况，且撞击位置的不同对被撞船的受损程度有很大的影响，不同位置处船体结构的内部吸能机理也有所差别；（3）撞击船的撞击速度越大，初始动能越高，对被撞船造成的破坏就越严重，撞击力和被撞船舷侧结构的总吸能也就越大。关键词: 船舶碰撞；耐撞结构设计；全耦合分析技术；夹层板；碰撞性能目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 船舶碰撞与新式耐撞结构研究现状 2
1.2.1 船舶碰撞研究现状 2
1.2.2 新式耐撞结构研究现状 3
1.3 船舶碰撞问题研究方法 4
1.4 本文主要研究内容 4
第二章 碰撞数值仿真关键技术 6
2.1 碰撞仿真基本理论 6
2.1.1 碰撞运动方程 6
2.1.2 非线性有限元分析方法 6
2.1.3 显式时间积分法 7
2.1.4 接触算法 7
2.1.5 摩擦算法 8
2.1.6 材料的本构模型 8
2.2 数值仿真建模中的处理技巧 11
2.2.1 网格的划分 11
2.2.2 接触定义与穿透检查 12
2.2.3 模型的检查 12
2.2.4 时间步长的调整 1
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2.1.3 显式时间积分法 7
2.1.4 接触算法 7
2.1.5 摩擦算法 8
2.1.6 材料的本构模型 8
2.2 数值仿真建模中的处理技巧 11
2.2.1 网格的划分 11
2.2.2 接触定义与穿透检查 12
2.2.3 模型的检查 12
2.2.4 时间步长的调整 13
2.2.5 数值仿真的输出结果 13
2.3 本章小结 14
第三章 典型工况下船体结构的碰撞性能分析 15
3.1 “全耦合”分析技术 15
3.2 碰撞结构有限元模型 16
3.2.1 碰撞场景及典型计算工况确定 16
3.2.2 夹层板船体舷侧结构设计 16
3.2.3 有限元模型 17
3. 3 数值仿真结果及其分析 19
3.3.1 碰撞区域结构损伤变形 19
3.3.2 碰撞力 25
3.3.3 能量吸收 29
3.4 本章小结 32
第四章 撞击参数对船体结构碰撞性能的影响 33
4.1 初始撞击速度对碰撞性能的影响 33
4.2 撞击位置对碰撞性能的影响 39
4.3 撞击角度对碰撞性能的影响 46
4.4 本章小结 53
第五章 结论与展望 54
5.1 本论文的主要研究工作和结论 54
5.2 研究工作展望 55
致谢 56
参考文献 57
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
近年来，随着航运业从最糟糕的一次危机中逐渐复苏，海上运输仍然是国际贸易中最主要的物流手段，海上航线的愈加密集同时也大大增加了船舶碰撞发生的可能性。虽然国际海事组织(IMO)已采取很多了措施来减少船舶的碰撞概率以及事故发生后的损失[1]，但有关的资料表明，全球发生的海难事故中，仍有40%以上是撞船事故[2]。
撞船事故发生的同时往往也会带来各种严重的后果[3]，特别是对于那些满载危险货物的巨型轮船来说，一旦碰撞事故发生，一方面会带来巨大的经济损失以及人员伤亡，如1994年“Estonia"号滚装船碰撞失事，伤亡多达800多人；2010年11月29日，在山东省威海附近海域，驶往新加坡的巴拿马籍货轮“东方海”轮与开往天津的马耳他籍货船“阿里”轮发生了碰撞，“东方海”的舷侧遭到严重的破损，如图1.1.1、1.1.2。
图1.1.1“东方海”轮左舷两压载舱进水
图1.1.2“阿里”轮船首受损
另一方面也会造成对海洋环境的严重污染，如1989年3月24日，美国的一艘单壳巨型油轮在美、加交界发生碰撞，原油泄出多达800多万加仑，形成的海面上的漂油带宽约1公里、长达800多公里，使生态环境遭受了巨大的破坏；2010年5月，一艘马来籍游轮和一艘货轮在新加坡海峡附近相撞，致使马籍油船上所装载的6.2万吨原油发生泄漏，造成了马来西亚海、新加坡及印尼附近海面的大规模污染。
引起船舶碰撞事故的原因多种多样，一直以来，国内外许多研究人员也都尝试着找到可以避免船舶发生碰撞事故的有效方法。随着时代的进步、科技的发展，船舶的智能操纵、卫星定位以及水上导航等先进技术的运用都在一定程度上降低了船舶碰撞发生概率和事故发生后的损失程度。然而，世界各地有关于船舶碰撞事故的报道就从未停止，究其原因，人为操作和判断失误是妨碍船舶行驶安全的重要隐患。
因此，人为因素的不可避免，使提高船舶的耐撞性能成为必要，无论是考虑安全性、经济性，还是从环境保护的角度来看，开展新式船舶耐撞结构设计研究、探索提高船舶舷侧耐撞性能的方法都具有极为重要的意义。
1.2船舶碰撞与新式耐撞结构研究现状
1.2.1 船舶碰撞研究现状
1959年，在配合核动力船的研制，防止其在碰撞事故里发生核泄漏的工业背景下，Minorsky所发表的论文开创了船舶碰撞领域的研究[4]，论文中提出了结构的变形能与参与变形的结构损伤体积间的线性关系，并且首次尝试把外部碰撞力学与内部碰撞力学相区分，从而使船舶碰撞机理分成外部动力学与内部机理。此后Haywood(1971)[5], Jones(1979)[6-7]与Woisin(1970)[8]对此方法进行改进。但是，这些改进都运用了过多简化条件，使其运用范围受到了限制。
Pedersen和Zhang依据结构损伤的机理更新了Minorsky公式[9]，该理论将结构的总体能量吸收分为结构塑性拉伸变形能E1、结构压溃褶皱变形能E2以及结构撕裂变形能E3三个部分。Paik[10]也提出了相应的修正方案：Minorsky公式仅仅就计算了被撞船外板及甲板的变形体积，但除此之外，实际情况中还应当考虑舷侧纵桁、内壳以及强框架的变形体积，从而得到了船舶碰撞中的结构变形能和贯入被撞船侧的船首体积成线性关系。
船舶碰撞问题是指在极短时间里，船体构件受到了巨大冲击载荷，迅速地从弹塑性阶段进入到塑性流动阶段，其是一种复杂的非线性瞬态响应问题，同时也是一种典型的流固耦合问题。当前关于船舶碰撞的研究主要集中于两个方面：船舶结构碰撞性能分析和耐撞性结构设计。这两者紧密相关、互相关联，前者是碰撞研究的基础，后者则是研究的目的。
至今为止，国内外学者为研
第一章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 船舶碰撞与新式耐撞结构研究现状 2
1.2.1 船舶碰撞研究现状 2
1.2.2 新式耐撞结构研究现状 3
1.3 船舶碰撞问题研究方法 4
1.4 本文主要研究内容 4
第二章 碰撞数值仿真关键技术 6
2.1 碰撞仿真基本理论 6
2.1.1 碰撞运动方程 6
2.1.2 非线性有限元分析方法 6
2.1.3 显式时间积分法 7
2.1.4 接触算法 7
2.1.5 摩擦算法 8
2.1.6 材料的本构模型 8
2.2 数值仿真建模中的处理技巧 11
2.2.1 网格的划分 11
2.2.2 接触定义与穿透检查 12
2.2.3 模型的检查 12
2.2.4 时间步长的调整 1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
2.1.3 显式时间积分法 7
2.1.4 接触算法 7
2.1.5 摩擦算法 8
2.1.6 材料的本构模型 8
2.2 数值仿真建模中的处理技巧 11
2.2.1 网格的划分 11
2.2.2 接触定义与穿透检查 12
2.2.3 模型的检查 12
2.2.4 时间步长的调整 13
2.2.5 数值仿真的输出结果 13
2.3 本章小结 14
第三章 典型工况下船体结构的碰撞性能分析 15
3.1 “全耦合”分析技术 15
3.2 碰撞结构有限元模型 16
3.2.1 碰撞场景及典型计算工况确定 16
3.2.2 夹层板船体舷侧结构设计 16
3.2.3 有限元模型 17
3. 3 数值仿真结果及其分析 19
3.3.1 碰撞区域结构损伤变形 19
3.3.2 碰撞力 25
3.3.3 能量吸收 29
3.4 本章小结 32
第四章 撞击参数对船体结构碰撞性能的影响 33
4.1 初始撞击速度对碰撞性能的影响 33
4.2 撞击位置对碰撞性能的影响 39
4.3 撞击角度对碰撞性能的影响 46
4.4 本章小结 53
第五章 结论与展望 54
5.1 本论文的主要研究工作和结论 54
5.2 研究工作展望 55
致谢 56
参考文献 57
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
近年来，随着航运业从最糟糕的一次危机中逐渐复苏，海上运输仍然是国际贸易中最主要的物流手段，海上航线的愈加密集同时也大大增加了船舶碰撞发生的可能性。虽然国际海事组织(IMO)已采取很多了措施来减少船舶的碰撞概率以及事故发生后的损失[1]，但有关的资料表明，全球发生的海难事故中，仍有40%以上是撞船事故[2]。
撞船事故发生的同时往往也会带来各种严重的后果[3]，特别是对于那些满载危险货物的巨型轮船来说，一旦碰撞事故发生，一方面会带来巨大的经济损失以及人员伤亡，如1994年“Estonia"号滚装船碰撞失事，伤亡多达800多人；2010年11月29日，在山东省威海附近海域，驶往新加坡的巴拿马籍货轮“东方海”轮与开往天津的马耳他籍货船“阿里”轮发生了碰撞，“东方海”的舷侧遭到严重的破损，如图1.1.1、1.1.2。
图1.1.1“东方海”轮左舷两压载舱进水
图1.1.2“阿里”轮船首受损
另一方面也会造成对海洋环境的严重污染，如1989年3月24日，美国的一艘单壳巨型油轮在美、加交界发生碰撞，原油泄出多达800多万加仑，形成的海面上的漂油带宽约1公里、长达800多公里，使生态环境遭受了巨大的破坏；2010年5月，一艘马来籍游轮和一艘货轮在新加坡海峡附近相撞，致使马籍油船上所装载的6.2万吨原油发生泄漏，造成了马来西亚海、新加坡及印尼附近海面的大规模污染。
引起船舶碰撞事故的原因多种多样，一直以来，国内外许多研究人员也都尝试着找到可以避免船舶发生碰撞事故的有效方法。随着时代的进步、科技的发展，船舶的智能操纵、卫星定位以及水上导航等先进技术的运用都在一定程度上降低了船舶碰撞发生概率和事故发生后的损失程度。然而，世界各地有关于船舶碰撞事故的报道就从未停止，究其原因，人为操作和判断失误是妨碍船舶行驶安全的重要隐患。
因此，人为因素的不可避免，使提高船舶的耐撞性能成为必要，无论是考虑安全性、经济性，还是从环境保护的角度来看，开展新式船舶耐撞结构设计研究、探索提高船舶舷侧耐撞性能的方法都具有极为重要的意义。
1.2船舶碰撞与新式耐撞结构研究现状
1.2.1 船舶碰撞研究现状
1959年，在配合核动力船的研制，防止其在碰撞事故里发生核泄漏的工业背景下，Minorsky所发表的论文开创了船舶碰撞领域的研究[4]，论文中提出了结构的变形能与参与变形的结构损伤体积间的线性关系，并且首次尝试把外部碰撞力学与内部碰撞力学相区分，从而使船舶碰撞机理分成外部动力学与内部机理。此后Haywood(1971)[5], Jones(1979)[6-7]与Woisin(1970)[8]对此方法进行改进。但是，这些改进都运用了过多简化条件，使其运用范围受到了限制。
Pedersen和Zhang依据结构损伤的机理更新了Minorsky公式[9]，该理论将结构的总体能量吸收分为结构塑性拉伸变形能E1、结构压溃褶皱变形能E2以及结构撕裂变形能E3三个部分。Paik[10]也提出了相应的修正方案：Minorsky公式仅仅就计算了被撞船外板及甲板的变形体积，但除此之外，实际情况中还应当考虑舷侧纵桁、内壳以及强框架的变形体积，从而得到了船舶碰撞中的结构变形能和贯入被撞船侧的船首体积成线性关系。
船舶碰撞问题是指在极短时间里，船体构件受到了巨大冲击载荷，迅速地从弹塑性阶段进入到塑性流动阶段，其是一种复杂的非线性瞬态响应问题，同时也是一种典型的流固耦合问题。当前关于船舶碰撞的研究主要集中于两个方面：船舶结构碰撞性能分析和耐撞性结构设计。这两者紧密相关、互相关联，前者是碰撞研究的基础，后者则是研究的目的。
至今为止，国内外学者为研
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