基于耐撞性的新型船舶結構形式研究.pdf

1、船舶碰撞是指船舶在海上或者與海相通的可航水域發(fā)生接觸造成損害的事故，它往往會引起災難性的后果，例如人員傷亡，船只沉沒，甚至環(huán)境污染等。引起船舶碰撞事故的原因有很多種，許多國家的研究者都試圖尋找可以避免船舶發(fā)生碰撞事故的方法。目前，由于人為因素的影響，船舶碰撞事故還不可能完全杜絕。從船舶結構的角度而言，基于船舶碰撞安全性的考慮，大量單殼船舶正逐步淘汰或改建成雙殼船舶。眾多事故報告說明，目前的常規(guī)排水型船舶的結構并不具有很好的防撞能力，船舶

2、結構存在著改進和革新的余地。 船舶碰撞問題的研究涉及到多學科、多領域。船舶結構的碰撞分析需要綜合結構動力學、斷裂力學、塑性力學、材料力學和水動力學等眾多門類的知識，還需要掌握一定的有限元使用技術和理論分析水平。船舶碰撞過程具有各種非線性特征，如幾何非線性、運動非線性、接觸非線性和材料非線性等，整個過程持續(xù)的時間比較短，通常在0.1-10秒之間。發(fā)生碰撞的船體區(qū)域可能位于流場之中，因此，嚴格來說，船舶碰撞問題也是一個流固耦合或水彈

3、性的問題，其相關理論對問題的研究也是很有幫助的。 船舶結構的碰撞分析主要有三類方法：試驗法、簡化解析法和數值仿真法。試驗法包括實際事故調查和實船或船模碰撞試驗，它所得到的結果具有很好的直觀性，對于理論方法的指導意義不言而喻，然而它耗費的資金代價往往非常大。簡化解析法的精度比較低，它將碰撞中的船舶作了大量的簡化處理，運用解析的方法和一些經驗數據，建立半解析/半經驗的船體或局部船舶結構件的力學方程，評估船體的碰撞特性。數值仿真法的優(yōu)

4、勢是可以對真實船舶碰撞場景進行虛擬再現，它借助于一些有限元分析軟件，船舶碰撞過程中的各種物理量都可以作為結果輸出。船舶碰撞的數值仿真大都采用非線性有限元方法，一些大型的商業(yè)有限元軟件已經很好地證明，它們是可以比較精確地模擬船舶碰撞過程的。然而，由于仿真模型的建立需要一定的知識、經驗和處理技巧的積累，模型的計算精度并非總能令人滿意，數值仿真法的結果仍然需要試驗或其它研究者的計算結果來相互檢驗。本文將船舶之間、船舶與海洋結構物之間或船舶與其

5、它障礙物之間的以瞬態(tài)脈沖載荷為特點的動態(tài)接觸過程稱為廣義上的船舶碰撞，具體地說，它包括船-船碰撞，船-橋碰撞，船-海洋平臺碰撞，船舶擱淺等等。本論文在對船舶碰撞過程的仿真再現中，試圖從船舶結構耐撞性的角度探尋降低船舶碰撞事故損傷的方法，主要包括：在一定的碰撞分析基礎上，對現有船舶結構進行耐撞性優(yōu)化；對現有船舶結構進行改進，提高其耐撞性指標，即碰撞事故中單位質量的結構材料所吸收的能量。通過對本論文的研究，可以對船舶結構在各種碰撞載荷作用下

6、的響應和能量吸收機制有比較明確的認識，為制定新的引入結構耐撞性的船舶設計和制造規(guī)范提供一定的依據。同時，一些新船舶結構設計理念的提出，可以為船舶結構的改進和革新提供借鑒。 本文的主要研究工作包括如下幾個方面： (1)總結、分析了船舶碰撞領域的研究現狀，主要包括船-船碰撞、船舶擱淺、船-橋/海洋平臺碰撞、新型耐撞結構、船體剩余強度/極限強度、數值仿真技術、耐撞結構優(yōu)化和船舶碰撞風險分析等方面。 (2)回顧、總結了非

7、線性有限元方法的發(fā)展歷程和基本理論，并重點討論了船舶碰撞數值仿真中所涉及的關鍵技術和處理技巧。 (3)利用數值仿真法分析了舷側結構碰撞危險點問題。舷側結構的碰撞危險點主要有三類：縱桁與橫框架的交叉點，縱桁或橫框架的跨距中點，舷側板格中心點。研究表明，對于船首--雙層舷側結構垂直碰撞場景，舷側內殼板的破裂與否和結構吸能多少并無本質關聯，而主要取決于內殼板以及由縱桁、橫框架組成的十字形結構的受力和變形；對于常規(guī)尺寸和厚度的船舶舷側結

8、構，縱桁和橫框架組成的十字框架總是有利于減緩碰撞損傷的。對于由縱桁和橫框架組成的十字形結構，當厚度超過某個臨界板厚時，其傳遞的碰撞力會使舷側內殼板先于撞頭到達時破裂。本論文給出了確定雙層舷側結構中的十字框架臨界板厚的方法。 (4)在雙層舷側結構碰撞數值仿真的基礎上，分析總結了估算舷側結構碰撞吸能的簡化方法。對于船首一舷側垂直碰撞場景，本文考慮了多種計算條件的變化，包括撞擊位置，舷側結構尺寸，網格密度和計算模型范圍的選取等。Min

9、orsky公式和Paik的修正公式可以估算船體碰撞吸能，然而，他們未考慮到船首瘦削程度以及船側縱桁、強橫框架等強構件對碰撞損傷的影響，本文對其進行了修正。 (5)通過數值仿真法的比較研究，分析了船底縱桁對于船底結構擱淺吸能的影響，從而對Zhang的經驗公式進行了修正。在新的船底擱淺吸能估算公式的基礎上，利用混合離散變量優(yōu)化方法對雙層底結構進行了抗擱淺優(yōu)化設計，優(yōu)化計算的變量是船底結構的尺寸，約束函數是船底結構的重量。 (

10、6)利用數值仿真法，對典型雙層舷側結構的碰撞性能進行了分析，并提出三種旨在提高抗撞擊能力的改進型雙層舷側結構：箱形梁雙殼結構、槽形筋雙殼結構和斜縱骨夾層板雙殼結構。新型舷側結構是在常規(guī)舷側結構的基礎上作了一些簡單的改動，其共同的設計理念是在可能的碰撞區(qū)域增加吸能結構件。通過比較研究發(fā)現，新結構的耐撞性指標明顯優(yōu)于常規(guī)結構。 (7)對典型雙層底結構進行了擱淺數值仿真分析，并從橫向、縱向和板架三個方面考慮結構的改進，提出三種新型抗擱

11、淺船底結構：雙槽形肋板雙底結構、槽形縱骨雙底結構和波紋縱骨夾層板雙底結構。研究表明，這些改進型結構可以有效地提高船舶的抗擱淺能力。此外，對于船舶擱淺吸能，船底結構的橫向構件和板架結構的改進效果要比縱向結構的改進明顯。 (8)對球鼻型船首與雙層舷側結構的碰撞進行了同步損傷分析。由于船舶碰撞事故中，船首結構的損傷可能不如舷側結構的損傷引起的事故后果嚴重，本文提出多層橫艙壁船首的結構設計，其宗旨是降低船首結構的縱向剛度。通過比較研究發(fā)

12、現，新的結構設計使雙層舷側結構的碰撞損傷程度大幅度降低，貨艙區(qū)域舷側結構的損傷一定程度地轉移到了船首結構上，這有利于防止船艙中貨物的泄漏。 (9)提出一種新式的防撞結構設計理念——附加甲板結構，它是船首區(qū)域主甲板以上的箱式結構。通過彈射或滑離等操作機制，使其落下，阻隔碰撞雙方的直接接觸，并且吸收一部分碰撞能量，從而達到保護主要船體結構的目的。 本論文的主要創(chuàng)新點為： (1)舷側結構碰撞危險點概念的提出及分析；

13、 (2)利用混合離散變量優(yōu)化方法對船底結構進行抗擱淺優(yōu)化設計； (3)一些新型耐撞結構和防撞結構設計理念的提出。 綜上所述，本論文主要研究的是船舶碰撞事故可能造成的主要船體結構損傷，以此為基礎，提出一些結構改進措施或新型耐撞結構設計理念。通過本文的研究，可以對船舶碰撞機理，尤其是損傷區(qū)域的結構響應和變形模式有一定的了解。為了增強船舶的安全性，類似于爆炸、砰擊等偶然性載荷，船舶碰撞事故中的結構行為有必要體現在新的船舶設