張 磊 甘浪雄 李 慧 周春輝 鄭元洲 趙曉博

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430063) (內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)(長(zhǎng)江航運(yùn)發(fā)展研究中心3) 武漢 430014) (南京海事局4) 南京 210011)

0 引 言

兩船碰撞過(guò)程是在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，影響因素包括兩船碰撞時(shí)的速度、角度及位置等，從船體自身來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)耐撞性能是其主要因素[1-3].船舶粗略可以分為船首段、船中段和船尾段，船舶不同區(qū)間段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不同，碰撞所導(dǎo)致的損傷、損失和風(fēng)險(xiǎn)程度也將有所不同.若碰撞不可避免時(shí)，駕駛員采取應(yīng)急操縱使船舶避開碰撞危險(xiǎn)區(qū)間，對(duì)減少碰撞損傷和損失有著重要的意義.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)有限元方法的可靠性做了大量研究，通過(guò)與實(shí)船試驗(yàn)或?qū)嶋H勘驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析有限元法的準(zhǔn)確性和可靠性，得出仿真結(jié)果與實(shí)際吻合度較高[4-5].劉闖等[6-8]利用不同的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，定性或定量對(duì)船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并提出相應(yīng)的措施；Brown等[9-10]從風(fēng)險(xiǎn)角度定量分析了船舶碰撞結(jié)構(gòu)損傷和風(fēng)險(xiǎn)性情況.

若綜合考慮不同碰撞區(qū)間的有限元仿真試驗(yàn)結(jié)果及碰撞后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，將能更加合理和準(zhǔn)確的界定船舶碰撞最危險(xiǎn)的區(qū)間.本文以兩艘10 000 t級(jí)單舷側(cè)結(jié)構(gòu)散貨船為研究對(duì)象，將被撞船劃分為“船首球鼻首段”“船中貨艙段”和“船尾機(jī)艙段”三個(gè)碰撞區(qū)間段，并建立相應(yīng)的有限元碰撞模型，從碰撞應(yīng)力、結(jié)構(gòu)損傷、能量變化3個(gè)方面對(duì)船舶三個(gè)碰撞區(qū)間進(jìn)行有限元仿真，同時(shí)從碰撞概率、碰撞后果兩個(gè)方面對(duì)三個(gè)碰撞區(qū)間的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，最終確定船舶碰撞最危險(xiǎn)的區(qū)間.

1 碰撞區(qū)間有限元仿真分析

1.1 有限元碰撞模型建立

本文選取兩艘10 000 t級(jí)散貨船作為研究對(duì)象，撞擊船和被撞船的尺度見表1.

表1 碰撞船舶基本參數(shù)表

設(shè)定的碰撞場(chǎng)景為兩船正碰，由于碰撞過(guò)程中，撞擊船船首變形一般非常小，而被撞船損傷變形較大[11]，故本文將撞擊船視為剛體，將被撞船視為變形體.此外，由于船舶碰撞具有局部效應(yīng)，為了提高運(yùn)行速度，往往利用等效梁模型來(lái)代替遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的有限元模型.本文所研究的被撞船不同區(qū)間段均參與碰撞，故不能對(duì)其簡(jiǎn)化；而撞擊船僅球鼻首為碰撞區(qū)域，為了提高運(yùn)行效率，球鼻首后面的船體部分可利用等效梁模型代替.因此，需建立被撞船整船模型，撞擊船有限元模型可進(jìn)行簡(jiǎn)化處理.本文根據(jù)船舶實(shí)際圖紙建立有限元模型，圖1為被撞船和撞擊船的有限元模型.

圖1 有限元模型

有限元模型建立完成后，需進(jìn)行接觸、材料、屬性、約束等參數(shù)定義和設(shè)置.本文選擇船用結(jié)構(gòu)鋼(高強(qiáng)度鋼)作為船舶材料，其材料模型選用塑性動(dòng)態(tài)模型[12]；采用自適應(yīng)主-從接觸算法，且對(duì)模型不施加約束，使碰撞船舶具有六自由度的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)采取質(zhì)量分配的方法對(duì)貨物進(jìn)行等效處理，將貨物的質(zhì)量分配至不影響碰撞的區(qū)域構(gòu)件上；在處理水的作用時(shí)，對(duì)被撞船周圍的水采取流固耦合方法，以提高計(jì)算精度，而由于撞擊船不是研究重點(diǎn)，為了節(jié)約運(yùn)行時(shí)間，對(duì)撞擊船周圍的水采取附連水質(zhì)量法.

三個(gè)碰撞區(qū)間所對(duì)應(yīng)的有限元碰撞模型見圖2.

圖2 各碰撞區(qū)間的船舶碰撞有限元模型

1.2 船舶碰撞仿真

針對(duì)不同碰撞區(qū)間建立模型后，進(jìn)行輸出設(shè)置，設(shè)置運(yùn)行時(shí)間均為0.5 s，相對(duì)撞擊速度均為7 000 mm/s，相對(duì)撞擊角度均為90°，并利用MSC.Dytran進(jìn)行運(yùn)行.

1.2.1碰撞應(yīng)力

兩船碰撞時(shí)，相互間會(huì)產(chǎn)生碰撞接觸力，隨著碰撞的發(fā)生，接觸力將不斷發(fā)生變化，直至碰撞結(jié)束，接觸力降至0.圖3為三個(gè)不同碰撞區(qū)間的碰撞力有所不同.

圖3 各碰撞區(qū)間碰撞力時(shí)序曲線圖

由于本次試驗(yàn)設(shè)置時(shí)間為0.5 s，此時(shí)船舶碰撞并未結(jié)束，故碰撞力在0.5 s時(shí)不為0.由于船體結(jié)構(gòu)在巨大的碰撞載荷下往往會(huì)出現(xiàn)變形甚至破裂，若船體構(gòu)件出現(xiàn)破裂，即代表該結(jié)構(gòu)失效，此時(shí)碰撞力將下降，應(yīng)力卸載現(xiàn)象發(fā)生，因此，在船舶碰撞的過(guò)程中，會(huì)形成波動(dòng)明顯的碰撞力曲線變化.由圖3可知，不同碰撞區(qū)間船舶碰撞力的變化趨勢(shì)一致.比較三個(gè)區(qū)間的碰撞力大小，可以得出在碰撞的過(guò)程中，船首球鼻首段平均碰撞力高于船中貨艙段，船尾機(jī)艙段最小.說(shuō)明船尾段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最小，意味著，船尾結(jié)構(gòu)在同等撞擊條件下承受碰撞載荷的能力最小，更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)失效.圖4為三個(gè)碰撞區(qū)間的應(yīng)力云圖，可以看出應(yīng)力主要集中在碰撞區(qū)域，且距離碰撞區(qū)域越遠(yuǎn)，應(yīng)力越小，顏色表現(xiàn)越淺.

圖4 被撞船應(yīng)力云圖

1.2.2結(jié)構(gòu)損傷

在0.5 s的碰撞時(shí)間里，三個(gè)碰撞區(qū)域均出現(xiàn)了外板破裂的情形，但結(jié)構(gòu)損傷的程度和范圍有所不一，見圖5～7.

圖5 船首球鼻首段碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)損傷云圖

船首球鼻首段產(chǎn)生碰撞力，被撞區(qū)域外板在外部載荷的作用下開始發(fā)生變形，且變形不斷向兩端延伸；在0.38 s時(shí)，外板達(dá)到了其最大失效應(yīng)力值，失效單元將從網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)去除，即開始出現(xiàn)破裂；隨著碰撞的進(jìn)行，更多的構(gòu)件參與變形，在撞擊船持續(xù)的動(dòng)能作用下，碰撞區(qū)域破口不斷增大；直至仿真結(jié)束，外板破口近似為長(zhǎng)方形，破口長(zhǎng)度約為5 251 mm、寬度約為925 mm.

圖6 船中貨艙段碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)損傷云圖

船中貨艙段碰撞區(qū)域的損傷情況與船首類似，但在同樣的撞擊條件下其損傷程度更嚴(yán)重，如圖7所示.在0.37 s時(shí)，被撞船舷側(cè)出現(xiàn)破口，直至仿真結(jié)束，舷側(cè)外板破口與船首段類似，近似為長(zhǎng)方形，但破口尺度較船首段更大，長(zhǎng)約為6 900 mm，寬度約為1 760 mm.

圖7 船尾機(jī)艙段碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)損傷云圖

船尾機(jī)艙段與船首段和船中段的損傷過(guò)程不同，它包括二個(gè)損傷部分：①水線面以上部分，②水線面以下部分.當(dāng)撞擊船碰撞船尾段時(shí)，撞擊船首上部結(jié)構(gòu)先接觸被撞船的船尾結(jié)構(gòu)，隨后撞擊船下部球鼻首接觸被撞船尾外板.從仿真時(shí)序圖來(lái)看，在0.16 s時(shí)，船尾水線面以上的尾樓甲板及連接的艙壁出現(xiàn)破口；在0.37 s時(shí)，水線面以下的尾部外板出現(xiàn)破口；直至0.5 s時(shí)，上部結(jié)構(gòu)損傷破口長(zhǎng)約3 010 mm、寬約2 930 mm，下部結(jié)構(gòu)損傷破口長(zhǎng)約2 900 mm、寬約1 970 mm.與前兩個(gè)碰撞區(qū)域相比，損傷范圍最大，且發(fā)生破裂的時(shí)間最早.

總體而言，在相同的撞擊條件下，三個(gè)碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的變形和損傷.通過(guò)分析和對(duì)比，船尾機(jī)艙段的損傷程度最大.

1.2.3碰撞能量

撞擊船以一定的初始動(dòng)能撞擊被撞船，兩船在初始動(dòng)能的作用下會(huì)發(fā)生能量轉(zhuǎn)換.由于本文撞擊船為剛體，不發(fā)生變形能吸收過(guò)程，且被撞船初始動(dòng)能為0，故撞擊船的動(dòng)能損失會(huì)轉(zhuǎn)換為被撞船的塑性變形能、被撞船動(dòng)能及沙漏能，其中，塑性變形吸能所占比重最大.各能量轉(zhuǎn)換的具體數(shù)值見表2.

表2 能量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)表 ×105 J

結(jié)構(gòu)的極限吸能指舷側(cè)外板破裂瞬時(shí)的變形能大小.對(duì)于三種不同的碰撞區(qū)間，在相同的撞擊條件下，如果被撞船極限吸能越小，表示所能承受的撞擊能量越小，其外板越容易發(fā)生破裂，區(qū)間越危險(xiǎn).根據(jù)表3的結(jié)果，單純就結(jié)構(gòu)破裂時(shí)的極限吸能而言，船尾機(jī)艙段結(jié)構(gòu)防撞性能最弱，所能承受的撞擊能量最小，區(qū)間危險(xiǎn)度最高.

表3 外板破裂時(shí)刻的極限變形能

2 船舶碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 碰撞概率分析

為了分析三個(gè)碰撞區(qū)間段的碰撞概率，本文對(duì)近年各海事局轄區(qū)水域的水上交通事故情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，包括深圳、福州、連云港、廈門等轄區(qū)水域.首先對(duì)事故進(jìn)行分類，得出水上交通事故種類分布概率；其次在碰撞事故中對(duì)涉及到的船舶種類進(jìn)行分類，得出碰撞事故中船舶種類分布概率；最后，針對(duì)散貨船的碰撞事故進(jìn)行分析，從而得出三個(gè)碰撞區(qū)間發(fā)生碰撞的概率情況.并以“頻繁發(fā)生(發(fā)生概率70%以上)、很可能發(fā)生(發(fā)生概率40%～70%)、很少發(fā)生(發(fā)生概率10%～40%)、極少發(fā)生(發(fā)生概率10%以下)”為四個(gè)等級(jí)進(jìn)行劃分統(tǒng)計(jì)，分析結(jié)果見表4.

表4 散貨船碰撞事故中各區(qū)間段發(fā)生碰撞頻率分布

根據(jù)調(diào)研收集到的數(shù)據(jù)分析可得，在散貨船碰撞事故中，船首球鼻首段發(fā)生碰撞的可能性最大，船中與船尾發(fā)生頻率相差不大.通過(guò)對(duì)其進(jìn)行等級(jí)劃分，船首球鼻首段發(fā)生概率屬于“很可能發(fā)生”等級(jí)，其他兩個(gè)區(qū)間段屬于“很少發(fā)生”等級(jí).

2.2 碰撞后果分析

采用二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)3個(gè)區(qū)間發(fā)生碰撞的后果嚴(yán)重度進(jìn)行分析，具體包括確定評(píng)價(jià)因素、評(píng)價(jià)集、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、隸屬度、各因素的權(quán)重，以及進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)和評(píng)價(jià)結(jié)果分析.其中評(píng)價(jià)因素見表5.

表5 船舶碰撞后果嚴(yán)重度二級(jí)評(píng)價(jià)因素模型

針對(duì)船舶碰撞后果嚴(yán)重度的大小，本文將其劃分為五個(gè)等級(jí)，即V={V1，V2，V3，V4，V5}={輕微，較輕度，中度，較嚴(yán)重， 非常嚴(yán)重}.并參考“水上交通事故管理辦法(2015年1月1日實(shí)施)”和“水上交通事故分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”(交通部2002年第5號(hào))，同時(shí)征求海事部門、船員以及船公司的意見進(jìn)行分級(jí)，確定各評(píng)價(jià)因素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表6.

表6 各評(píng)價(jià)因素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以表6的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，采用隸屬函數(shù)以及專家打分的方式確定隸屬度.對(duì)于定量因素的分析，采用嶺型隸屬函數(shù)，以經(jīng)濟(jì)損失為例，其隸屬度函數(shù)為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

此外，通過(guò)對(duì)海事部門、船員、船公司、專家等進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，同時(shí)利用YAAHP(yet another AHP)軟件構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)模型(見圖8)，最終計(jì)算得出各一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重值.

圖8 船舶碰撞后果嚴(yán)重度層次結(jié)構(gòu)模型圖

最后，將V量化為{1，2，3，4，5}，并設(shè)bj為二層級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)所得的向量值，則最終評(píng)估結(jié)果為

(6)

所得到的Q值即為船舶碰撞危險(xiǎn)度整體評(píng)價(jià)的等級(jí).根據(jù)計(jì)算，船首球鼻首段Q=2.155 1，即發(fā)生碰撞后所導(dǎo)致的后果嚴(yán)重度為“較輕度”；船中貨艙段Q=3.411 4，為“中度”；船尾機(jī)艙段Q=3.945 4，為“較嚴(yán)重”.

2.3 FSA綜合評(píng)估

參考國(guó)際海事組織(IMO)建議的規(guī)范化安全評(píng)估方法(FSA)對(duì)碰撞概率與碰撞后果進(jìn)行綜合評(píng)估.本文采用的FSA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣見表7.

表7 FSA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣表

將三個(gè)區(qū)間的碰撞概率與后果嚴(yán)重度分別代入表7中，其中對(duì)應(yīng)的水平越高表示風(fēng)險(xiǎn)越大.因此，綜合評(píng)估船舶碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)情況得出，船舶船尾機(jī)艙區(qū)間段發(fā)生碰撞后，其損傷風(fēng)險(xiǎn)最高.

3 危險(xiǎn)區(qū)間界定及建議

在有限元仿真方面，綜合分析得出船舶碰撞船尾機(jī)艙段的損傷危險(xiǎn)度最高，其次是船中貨艙段，最后是船首球鼻首段；在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，得出船舶船尾機(jī)艙區(qū)間段發(fā)生碰撞后的損傷風(fēng)險(xiǎn)最高，船中貨艙段與船首球鼻首段風(fēng)險(xiǎn)水平一樣.綜合有限元仿真以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估兩個(gè)層面，最終得出船舶碰撞損傷最危險(xiǎn)的區(qū)間為船尾機(jī)艙區(qū)間段，最不危險(xiǎn)的區(qū)間為船首球鼻首區(qū)間段，船中貨艙段的危險(xiǎn)度位于兩者之間.

若兩船碰撞不可避免，為了減少船舶碰撞的損傷和損失，提出以下兩點(diǎn)建議：

1) 在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，建議船舶從舷側(cè)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，可采取新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)，提高自身的耐撞性能，從而達(dá)到降低船舶碰撞結(jié)構(gòu)損傷的目的.填充層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了船舶的防撞性能，建議優(yōu)化和改良船尾機(jī)艙段結(jié)構(gòu)，在不影響船舶總縱強(qiáng)度的前提下，可添加必要和適當(dāng)?shù)奶畛鋵咏Y(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)船舶的耐撞性[13].

2) 在應(yīng)急操縱方面，由于船尾機(jī)艙段為船舶碰撞損傷最危險(xiǎn)的區(qū)間，故建議在碰撞不可避免的情形下，駕駛員應(yīng)采取轉(zhuǎn)向操作，避免碰撞船尾機(jī)艙區(qū)間段.

4 結(jié) 論

1) 運(yùn)用MSC. Dytran進(jìn)行有限元仿真，綜合考慮3個(gè)碰撞區(qū)間的碰撞應(yīng)力、結(jié)構(gòu)損傷和能量變化的仿真結(jié)果，得出船舶碰撞船尾機(jī)艙區(qū)間段的損傷危險(xiǎn)度最高，其次是船中貨艙段，最后是船首球鼻首段.

2) 利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)三個(gè)區(qū)間段的碰撞概率和后果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，基于近年各水域的水上交通事故數(shù)據(jù)，并采用模糊綜合評(píng)價(jià)以及FSA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法，最終界定船舶船尾機(jī)艙區(qū)間段發(fā)生碰撞后的損傷風(fēng)險(xiǎn)最高.

3) 綜合有限元仿真以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估兩方面研究，得出船舶碰撞損傷最危險(xiǎn)的區(qū)間為船尾機(jī)艙區(qū)間段.為了減少船舶碰撞的損傷和損失，建議優(yōu)化和改進(jìn)船舶機(jī)艙段結(jié)構(gòu)，且在碰撞不可避免的情形下，建議駕駛員采取轉(zhuǎn)向操作，避免碰撞船尾機(jī)艙區(qū)間段.

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