張榮，于有利，石峰，肖曙明，王娜，朱加剛

(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452;2.中國船級社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

1萬m3LNG運(yùn)輸船碰撞仿真模擬分析

張榮1，于有利1，石峰1，肖曙明2，王娜2，朱加剛2

(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452;2.中國船級社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

以1萬m3內(nèi)河小型LNG運(yùn)輸船為例，探討船舶碰撞數(shù)值仿真方法的分析過程和方法，獲得該船與不同排水量撞擊船相撞時臨界撞擊速度與撞擊角度的關(guān)系曲線，根據(jù)計算結(jié)果對典型LNG運(yùn)輸船的安全運(yùn)營給出意見和建議。

LNG運(yùn)輸船;碰撞仿真;抗碰撞能力;臨界撞擊速度;撞擊角度

隨著市場對液化天然氣(LNG)需求的增長加快，LNG海上以及內(nèi)河運(yùn)輸也在快速發(fā)展。由于LNG運(yùn)輸船屬于危險品船，其與航區(qū)內(nèi)其他船舶的碰撞問題顯得尤其突出。因為碰撞事故不僅會導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)的損壞，還可能引起泄漏事故從而引發(fā)爆炸、低溫破壞，以及人員中毒等危險。在全球發(fā)生的海難事故中，有40%以上是由于船舶碰撞造成的［1］，因此船舶碰撞問題越來越受到研究人員的重視。對LNG船進(jìn)行抗碰撞能力評估，提高LNG船的抗碰撞能力，增強(qiáng)LNG運(yùn)輸船營運(yùn)的安全性具有極為重要的意義。

1 船舶碰撞研究方法

船舶碰撞屬于強(qiáng)非線性物理現(xiàn)象，涉及到船舶的塑性變形、斷裂、撕開等非線性力學(xué)行為。船舶碰撞的研究經(jīng)過幾十年的發(fā)展，主要有經(jīng)驗方法、簡化解析方法、試驗方法和有限元數(shù)值仿真方法4種。

1)經(jīng)驗方法主要是以Minorsky［2］于1959年根據(jù)26艘實(shí)船碰撞試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出的結(jié)構(gòu)變形能與參與變形的結(jié)構(gòu)損傷體積之間的經(jīng)驗公式進(jìn)行船舶碰撞過程中能量吸收的計算，但是Minorsky公式具有很大的局限性，因此Minorsky公式不斷被修正。

2)簡化解析方法則基于一系列基本假設(shè)，建立船舶碰撞分析的數(shù)學(xué)模型，模型中包括加筋板的彎曲和屈曲、外板和甲板的膜拉伸、肋骨的失效。從而得到船舶碰撞過程中被撞船吸收能量的計算公式。

3)試驗方法則是通過實(shí)船試驗或縮比模型試驗，從試驗中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，換算到實(shí)船［3］。

4)有限元數(shù)值仿真方法不僅能夠計算碰撞區(qū)的結(jié)構(gòu)損傷變形和碰撞力，而且結(jié)合了外部機(jī)理的分析和計算，可以真實(shí)地模擬碰撞現(xiàn)象，具有解析法無法比擬的優(yōu)勢，能夠部分代替實(shí)船和模型的碰撞試驗，實(shí)現(xiàn)“虛擬碰撞”。從上個世紀(jì)90年代以來。國內(nèi)外從事船舶碰撞的學(xué)者采用三維非線性動態(tài)響應(yīng)分析軟件，對船舶碰撞課題展開了十分廣泛的分析研究［4-5］。

本文將采用三維非線性有限元仿真方法，對典型LNG運(yùn)輸船進(jìn)行碰撞仿真模擬。

2 撞擊船的選取和模擬

2．1 撞擊船的選取

為便于討論，將在LNG運(yùn)輸船航線內(nèi)與之發(fā)生碰撞的船舶分為小型、中型和大型船舶。小型船一般為交通艇、客渡船，等;中型船一般為集裝箱或散貨船;大型船主要是排水量超過10 000 t的散貨船、油船(包括進(jìn)江的海船)等。

針對小型撞擊船，選取排水量約為200 t(對應(yīng)船長約為40 m左右)的典型實(shí)船1艘;針對中型撞擊船，選取排水量約為3 600 t(對應(yīng)船長約為80 m)的典型實(shí)船1艘;針對大型撞擊船，選取長江中下游130 m左右，排水量約為20 000 t的實(shí)船1艘。

中小型船的艏部形狀一般為傾斜船艏，大型船一般為帶球鼻艏的傾斜船艏。

撞擊船的基本情況見表1。

表1 撞擊船基本情況

2．2 撞擊船有限元模擬

船舶碰撞的仿真分析模型主要包括撞擊船和被撞船兩個部分。在研究過程中，建立被撞船的全船結(jié)構(gòu)有限元模型。參考《內(nèi)河雙殼液貨船耐碰撞評估指南》［6］中的相關(guān)規(guī)定，對于撞擊船，不考慮其損傷變形和吸能特性，將它們作為剛性體考慮，建立撞擊船的艏部外形有限元模型進(jìn)行碰撞仿真分析，見圖1。

3 被撞船模擬

3．1 被撞船概述

被撞船1萬m3LNG運(yùn)輸船的主要尺度參數(shù)見表2。側(cè)視圖見圖2。

圖1 撞擊船有限元模型

表2 1萬m3LNG運(yùn)輸船主尺度

3．2 被撞船有限元模擬

根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)將全船各類結(jié)構(gòu)按建造厚度離散為下列幾種類型。

圖2 被撞船1萬m3LNG運(yùn)輸船側(cè)視示意

1)板殼元(四節(jié)點(diǎn)，shell element):甲板、舷側(cè)外板及船底板、內(nèi)底板、船底縱桁、艙口圍板、縱艙壁及橫艙壁、肋板、強(qiáng)框架、雙殼間縱向平臺，板材上的縱橫骨材、水密艙壁上扶強(qiáng)材，等，對其腹板采用板殼元模擬。

2)梁元(兩節(jié)點(diǎn)，beam element):板材上的縱橫骨材、水密艙壁上扶強(qiáng)材，等，對其面板采用梁元模擬。

在被撞船的有限元仿真計算中，殼單元均采用Thin shell 163單元，梁單元均采用Beam 161單元。被撞船有限元模型見圖3。

材料屬性有剛性材料和多線性(雙線性)彈塑性材料。由于撞擊船的艏部剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被撞船中部殼板和縱骨等骨材的剛度，故采用剛性材料模擬撞擊船艏部。這樣不僅可以提高計算效率，而且所得到的仿真結(jié)果也偏于保守。被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)則采用雙線性彈塑性材料模擬。

圖3 被撞船有限元模型

1萬m3LNG船主船體采用Q235船用鋼，彈性模量為206 GPa，切線模量為1 180 MPa，泊松比為0.3。在仿真計算中考慮撞擊船與被撞船之間的摩擦作用，定義摩擦系數(shù)為0.3。

4 碰撞模擬仿真方案

4．1 邊界條件、接觸方式的確定

在有限元計算模擬中，接觸設(shè)定均采用自動單面接觸。單面接觸可以用在一個物體表面的自身接觸或兩個物體表面間的接觸，對于模型中殼單元法向方向可能出現(xiàn)不一致的情況最好采用自動接觸算法。在自動單面接觸中程序會自動判斷模型中哪些表面發(fā)生接觸，不需要人為定義主、從接觸面?？紤]到單面自動接觸不能自動輸出接觸力，計算時定義一個力傳感器接觸方式，用來輸出關(guān)心部件所受的接觸力［7-9］。

由于船舶碰撞為局部損傷現(xiàn)象，只在碰撞區(qū)域產(chǎn)生塑性變形、破裂，非碰撞區(qū)域基本上不會產(chǎn)生塑性變形。因此，為減少計算時間、提高計算效率，對被撞船作如下約束處理。

1)艉部艉尖艙橫艙壁處所有節(jié)點(diǎn)約束x向，y向和z向的位移與轉(zhuǎn)動。

2)艏部艏尖艙橫艙壁處所有節(jié)點(diǎn)約束x向，y向和z向的位移與轉(zhuǎn)動。

4．2 網(wǎng)格尺寸和失效應(yīng)變分析

在有限元仿真中，確定單元失效、斷裂或破壞(即單元喪失了強(qiáng)度和維持承載的能力)的材料模型的塑性失效應(yīng)變是比較困難的。根據(jù)《內(nèi)河船舶抗碰撞能力評估指南》的規(guī)定，采用50 mm的網(wǎng)格尺寸，其臨界斷裂應(yīng)變值應(yīng)取為0.22。由于撞擊船縱向肋骨間據(jù)為700 mm。當(dāng)單元尺寸劃分為50 mm時，僅碰撞區(qū)網(wǎng)格數(shù)就達(dá)到70萬，整船模型網(wǎng)格數(shù)則會達(dá)到200萬以上，這給船舶碰撞的仿真分析帶來極大困難。為了提高計算效率，減少計算時間，將碰撞區(qū)網(wǎng)格尺寸設(shè)定為100 mm，非碰撞區(qū)域網(wǎng)格尺寸則為700 mm。當(dāng)碰撞區(qū)網(wǎng)格尺寸改變時，其臨界斷裂應(yīng)變值必須進(jìn)行相應(yīng)改變。

為確定對應(yīng)100 mm單元尺寸時臨界斷裂應(yīng)變值的大小，需通過選取不同的臨界斷裂應(yīng)變值，進(jìn)行船舶碰撞的仿真模擬，得到相應(yīng)的撞擊力-撞深曲線和能量-撞深曲線，并將其與50 mm網(wǎng)格，臨界斷裂應(yīng)變值為0.22的船舶碰撞模擬結(jié)果進(jìn)行比較，最終確定臨界斷裂應(yīng)變值的大小。具體步驟如下。

1)建立局部艙段的有限元仿真模型和撞擊船艏部仿真模型。

2)將艙段分別采用50和100 mm單元尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3)針對50 mm網(wǎng)格尺寸的艙段模型，臨界斷裂應(yīng)變?nèi)?.22，進(jìn)行碰撞的仿真模擬計算。

4)針對100 mm網(wǎng)格尺寸的艙段模型，臨界斷裂應(yīng)變值分別取為0.19、0.18、0.17進(jìn)行碰撞仿真模擬。

5)將以上計算得到的撞擊力-撞深曲線、能量-撞深曲線同50 mm的撞擊力-撞深曲線和能量-撞深曲線進(jìn)行比較，選取吻合較好的一組臨界斷裂應(yīng)變值作為本仿真模擬中對應(yīng)100 mm網(wǎng)格尺寸的斷裂應(yīng)變值EL，見圖4、5。

圖4 撞擊力-撞深對比

圖5 能量-撞深對比

圖4、5給出了網(wǎng)格尺寸為50 mm(臨界斷裂應(yīng)變值為0.22)和網(wǎng)格尺寸為100 mm(臨界斷裂應(yīng)變值分別為0.19、0.18、0.17)的撞擊力-撞深曲線和能量-撞深曲線。由圖可見，在網(wǎng)格尺寸為100 mm，臨界斷裂應(yīng)變值為0.19時，無論是撞擊力-撞深曲線還是能量-撞深曲線均與網(wǎng)格尺寸為50 mm仿真模擬結(jié)果吻合較好，表明網(wǎng)格尺寸為100 mm時，臨界斷裂應(yīng)變值應(yīng)取0.19。

4．3 碰撞模擬仿真力學(xué)模型的選取

對小型船撞擊，因被撞擊區(qū)域較小，故采用局部模型進(jìn)行碰撞仿真分析，局部模型取為被撞船兩橫向艙壁之間的一個貨艙區(qū)的左舷。仿真計算中采用附連水質(zhì)量法考慮周圍流體介質(zhì)的動力影響，根據(jù)《內(nèi)河船舶抗碰撞能力評估指南》的規(guī)定，撞擊船的附連水質(zhì)量取為排水量的10%，以等效質(zhì)量密度的形式附加在外殼板上。對局部模型，細(xì)化區(qū)網(wǎng)格最大邊長尺寸為100 mm，網(wǎng)格數(shù)為17萬。局部撞擊模型見圖6。

圖6 LNG運(yùn)輸船局部模型

對中型、大型船舶，因撞擊區(qū)域較大，采用全船模型進(jìn)行計算。考慮計算時間，整船模型網(wǎng)格劃分的原則為:對撞擊區(qū)采用100 mm網(wǎng)格尺寸劃分，相應(yīng)的失效應(yīng)變?yōu)?.19;對非撞擊區(qū)網(wǎng)格則以700 mm作為網(wǎng)格最大邊長尺寸進(jìn)行劃分。最終網(wǎng)格數(shù)目為46萬。LNG運(yùn)輸船整船網(wǎng)格模型示意見圖7。

圖7 LNG運(yùn)輸船整船網(wǎng)格模型示意

5 碰撞模擬仿真結(jié)果分析

5．1 碰撞角度對抗碰撞能力的影響

為了分析碰撞角度對抗碰撞能力的影響，以撞擊角度為30°、90°兩種情況進(jìn)行仿真分析。撞擊船以30°斜撞LNG運(yùn)輸船示意見圖8。

圖8 撞擊船以30°斜撞LNG運(yùn)輸船有限元模型示意

中型撞擊船以30°和90°(直角撞擊)撞擊LNG運(yùn)輸船時的內(nèi)能與摩擦能對比見圖9。由圖9可見，隨著撞擊角度的減小，被撞船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的塑性變形能和摩擦能均大幅增加，尤其因摩擦而消耗的能量增加更快。這表明有意減小撞擊角度將有助于確保LNG運(yùn)輸船罐體不受損傷。

5．2 撞擊速度對抗碰撞能力的影響

撞擊速度的增加，在排水量不變的情況下，意味著撞擊船動能增大。碰撞過程中，撞擊船動能的損失主要轉(zhuǎn)化為被撞船的結(jié)構(gòu)變形能。所以控制撞擊船的撞擊速度是保證LNG運(yùn)輸船安全營運(yùn)的關(guān)鍵。

圖9 中阻撞擊船以不同撞擊角度撞擊LNG運(yùn)輸船內(nèi)能和摩擦能對比

5．3 臨界撞擊速度與撞擊角度的關(guān)系

被撞船的抗碰撞能力主要與撞擊船的撞擊角度和撞擊速度有關(guān)。對于一定排水量的撞擊船來說，被撞船在一定撞擊速度下存在一個極限撞擊角度。同理，針對一定排水量的撞擊船來說，被撞船在一定撞擊角度下存在一個極限撞擊速度。

分別對撞擊船為小型、中型和大型船舶，以不同夾角(30°、45°、60°、90°)撞擊LNG運(yùn)輸船過程進(jìn)行模擬仿真，并計算出臨界撞擊速度。以此繪制針對不同撞擊船以不同角度撞擊LNG運(yùn)輸船時臨界撞擊速度與撞擊角度的關(guān)系圖譜，見圖10。

圖10 小、中、大型船撞擊LNG運(yùn)輸船圖譜

1)由圖10 a)可見:對于小型船撞擊1萬m3LNG運(yùn)輸船，因其撞擊動能較小，只要對1萬m3LNG運(yùn)輸船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)抗碰撞加強(qiáng)，其安全水平可以接受。

2)由圖10 b)可見:對于中型船撞擊1萬m3LNG運(yùn)輸船，當(dāng)撞擊角度小于等于45°時，1萬m3LNG運(yùn)輸船的罐體不會受損傷，其安全水平可以接受。如果對1萬m3LNG運(yùn)輸船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗碰撞加強(qiáng)，則能提高1萬m3LNG運(yùn)輸船的抗碰撞能力。

3)由圖10 c)可見:對于大型船撞擊1萬m3LNG運(yùn)輸船，由于該貨船滿載排水量大，含有極高的動能，因此1萬m3LNG運(yùn)輸船難以滿足該類撞擊船撞擊時的安全水平。從計算結(jié)果可以看出，1萬m3LNG運(yùn)輸船能夠抵抗該類貨船滿載工況下撞擊角度為30°時的撞擊。對于該類船舶必須采取海事監(jiān)管措施，使其不會對1萬m3LNG運(yùn)輸船造成危害。

4)從各撞擊船以不同撞擊角度撞擊1萬m3LNG運(yùn)輸船的圖譜曲線可以看出，隨著撞擊角度的減小，1萬m3LNG運(yùn)輸船所能抵抗撞擊船的撞擊速度一開始是緩慢增加，當(dāng)撞擊角度減小至60°時并繼續(xù)減小時，該運(yùn)輸船所能抵抗撞擊船的撞擊速度增加很快。這表明當(dāng)撞擊船以小角度撞擊該運(yùn)輸船時，該運(yùn)輸船能夠抵抗撞擊船以更高速度的撞擊。

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Numerical Collision Simulation of 10 000 m3LNG Transport Ship

ZHANG Rong1，YU You-li1，SHI Feng1，XIAO Shu-ming2，WANG Na2，ZHU Jia-gang2
(1.CNOOC energy technology production of Service Corporation，Tianjin 300452，China; 2.Wuhan Rule and Regulation Research Institute，China Classification Society，Wuhan 430022，China)

Taking the 10 000 m3inland LNG transport ship as example，the methodology of numerical simulations for ships＇collision is discussed.The critical collision speed-collision degree curves for the 10 000 m3inland LNG transport ship collided by a ship with different displacements are obtained by the non-linear FEM analysis.According to the analytical results，some comments and suggestions for shipping safety of typical LNG transport ship are put forward.

LNG transport ship;collision simulation;collision resistance ability;critical collision speed;collision degree curve

U674.13

A

1671-7953(2015)02-0010-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.003

2014-05-29

修回日期:2014-08-08

中小型LNG運(yùn)輸船碰撞(CY-G-S-12-ZC-019)

張榮(1979-)，男，學(xué)士，工程師

研究方向:中海油液化天然氣(LNG)運(yùn)輸船業(yè)務(wù)

E-mail:nwang@ccs.org.cn