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基于Ls-dyna的船舶與碼頭碰撞動力特性仿真分析

2021-04-12 10:03袁培銀秦淮濤李冬英
艦船科學技術 2021年3期
關鍵詞:構件有限元碼頭

袁培銀,趙 宇,雷 林,秦淮濤,周 闖,李冬英

(1.重慶交通大學 航運與船舶工程學院;2.河海學院;3.建筑與城市規(guī)劃學院,重慶400074)

0 引 言

隨著航運行業(yè)的快速發(fā)展,船舶逐漸實現(xiàn)標準化、大型化,船舶在運輸過程中,水流條件的惡化、船員的誤操作、船舶失控等都容易發(fā)生船與碼頭相互碰撞的事故,造成生命財產(chǎn)的損失。

針對船舶與碼頭碰撞理論研究不完整的問題,國內外專家先后采用經(jīng)驗公式法、實驗法、有限元法研究船舶與碼頭的碰撞問題。經(jīng)驗公式法作為早期解決船舶碰撞問題的方法,具有一定的計算誤差,實驗法最接近實際的碰撞情況,但具有一定的局限性[1–2],而有限元分析的方法可以模擬船舶與碼頭碰撞工況,具有較高的準確度,因此,本文利用Ls-dyna對船舶與碼頭碰撞進行動力特性仿真分析。

趙南等[3]研究船舶之間的碰撞損傷,分析碰撞過程中各船的運動狀態(tài)、碰撞力、能量變化及損傷變形程度;李良偉[4]通過一系列船模碰撞試驗,分析撞擊速度、撞擊角度對被撞船舶舷側結構損傷特性影響,為實際碰撞事故和仿真模擬提供試驗數(shù)據(jù)支撐;胡志強[5]研究船舶碰撞觸底事故的機理,介紹解析法、數(shù)值模擬法和風險分析法的發(fā)展及應用;M inorsky[6]研究核動力船舶的設計及海洋結構物的防撞問題,提出海洋結構物的變形和吸收沖擊能之間存在一種線性關系。因為M inorsky公式具有一定的局限性,不能正確反映現(xiàn)代傳播的結構形式特點,Kitamura[7],Brown[8–9],Consolazio[10]等對M inorsky理論公式進行修正,擴大該公式的影響范圍。

本文通過前期調研結果,建立船舶、碼頭的有限元模型,考察船舶與碼頭的碰撞部位及碰撞速度,確定材料模型的各項參數(shù),預報船舶與碼頭首碰形式,分析碰撞過程中船舶局部應力分布、塑性應變及損傷程度、碰撞力、變形能變化規(guī)律,從而對撞擊船舶的安全性做出評估與判斷,對工程實踐具有一定的指導意義。

1 船舶-碼頭碰撞能量守恒原理

本文采用拉格朗日法建立有限元控制方程,分析船舶與碼頭碰撞的動力特性[11–12],結合連續(xù)介質力學理論,碰撞過程中船舶與碼頭需滿足能量守恒原理,具體如公式(1)~式(4)。

式中:E為系統(tǒng)能量;V為體積;為應變率張量;Sij為偏應力張量;p為壓力;q為 體積粘性阻力;δij定義如下:

2 數(shù)值驗證與分析

2.1 建立有限元模型

本文選取12300 t集裝箱船為研究對象,該船空船重量9000 t,載重量3300 t,建立模型過程中,橫蕩運動的附加質量系數(shù)為0.6,縱蕩運動的附加質量系數(shù)為0.05,即船舶發(fā)生首部碰撞時的附加質量為615 t。在計算過程中,船舶結構的總質量由鋼板的質量、設備質量、載重量、附加質量,將質量單元設計為mass166的形式,平均分配到各個節(jié)點上[13–14],船舶的具體參數(shù)如表1所示。

表1 船體主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the ship

根據(jù)船舶設計圖紙,該船為縱骨架式結構,貨艙段每隔5個弱肋位,設置1個強肋位,且貨艙段共設有7道橫艙壁。為了提高計算效率及準確度,船舶網(wǎng)格的劃分以碰撞姿態(tài)為基礎,主要表現(xiàn)為:碰撞區(qū)域的網(wǎng)格使用塑性動態(tài)材料,網(wǎng)格劃分密集;過渡區(qū)域的網(wǎng)格使用雙線性材料,網(wǎng)格劃分的較密集,非碰撞區(qū)域的網(wǎng)格使用線性材料,網(wǎng)格劃分的較稀疏。全船有限元模型如圖1所示。

圖1 全船有限元模型Fig.1 Finiteelement model of ship

根據(jù)前期現(xiàn)場調研結果,船舶靠港和離港時,船首、船尾均可能因外力或操作不當而與碼頭發(fā)生碰撞,即本文主要研究首碰工況下船舶與碼頭碰撞的動力特性。

有限元建模過程中,全船單元選用Shell163殼單元,實常數(shù)中的板厚定義為2 cm,碰撞區(qū)域選用塑性動態(tài)材料模型(Plastic Kinematic Material),過渡區(qū)域選用雙線性材料模型(Bilinear Isotropic M aterial),非碰撞區(qū)域選用線性材料模型(Linear Isotropic M aterial),表2為3種材料模型的各項參數(shù)[15]。

有限元建模過程中,船舶貨艙段右舷舷側外板選用塑性動態(tài)材料,貨艙段右舷舷側骨架及貨艙內壁選用雙線性材料模型,其余部分使用線性材料模型。船舶與碼頭發(fā)生首部碰撞時,全船均使用映射網(wǎng)格,首部前端外板接觸區(qū)域按0.2 m劃分,船首外板過渡區(qū)域按0.3m劃分,船首外板后端按0.4m劃分,船首骨架、甲板及平臺前端按0.3 m劃分,后端按0.4 m劃分,船體其余部分均按2m劃分。船舶與碼頭發(fā)生尾部碰撞時,全船均使用映射網(wǎng)格,尾封板按0.15m劃分,尾尖艙外板、骨架、甲板及平臺按0.3 m劃分,機艙段構件均按0.6 m劃分,貨艙段構件均按1 m劃分,船首構件均按2 m劃分。

表2 材料模型參數(shù)Tab.2 Parameters of material

2.2 船舶與碼頭碰撞的動力特性研究

1)船舶與碼頭首碰的動力特性研究從圖2可以看出,應力主要分布在球鼻首外板前端,且4個時刻的最大應力均超過了材料屈服應力,球鼻首外板前端將發(fā)生塑性應變,與此同時,球鼻首外板前端在碰撞過程中產(chǎn)生明顯的凹陷。

圖2 不同時刻船首外板等效應力云圖Fig.2 Stress cloud diagram of the bow plate at different time

圖3 碰撞力時程曲線Fig.3 Time history curve of collision force

圖3 為船-碼頭首碰的碰撞力時程曲線,曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性,0.06~0.38 s,碰撞力在振蕩中呈現(xiàn)小幅上升的趨勢,因為在碰撞過程中,不斷有材料發(fā)生屈服,之后不斷有材料進入塑性應變階段。0.38~0.46 s,碰撞力呈現(xiàn)迅速上升的趨勢,主要原因是球鼻首前端因變形的緣故而與碼頭護舷表面充分接觸,球鼻首前端大面積的外板及骨架在擠壓作用下發(fā)生應變。0.46~0.97 s,碰撞力維持在一定范圍內振蕩,這是因為船舶速度在此時已接近0,擠壓作用既不減弱,也不再明顯增強。當船舶速度減為0之后,在彈性力的作用下,船舶開始反向加速,在反向加速的過程中,船舶與碼頭的擠壓效果和接觸面積均不斷減小,所以0.97 s之后,碰撞力逐漸下降,直至減為0。圖4為船舶與碼頭發(fā)生首碰時,船首不同構件的變形能時程曲線,變形能曲線在達到最大值后,先出現(xiàn)小幅下降,然后再保持不變。其中,變形能小幅下降是彈性形變恢復的結果,最后曲線保持不變的部分即為構件塑性變形的變形能。

圖4 船首各構件變形能時程曲線Fig.4 Deformation energy time history curve of the bow

2)船與碼頭尾碰的動力特性研究

從圖5可以看出,曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性,碰撞力從0.04 s開始出現(xiàn),船舶表面與碼頭在此時發(fā)生接觸。結合碰撞力時程曲線分析碰撞過程,0.04~0.08 s,碰撞力急劇上升,這是因為碰撞開始時刻船體和碼頭就已經(jīng)充分接觸,且此時船舶速度最大,船體與碼頭發(fā)生相互擠壓,大面積的尾封板在該段時間內發(fā)生應變。0.08 s~0.27 s,碰撞力繼續(xù)上升并伴隨著多次振蕩,最大值為5.23×107 N,0.27 s以后,碰撞力開始逐漸下降并在0.55 s時減至0,這是因為船舶速度減為0以后,在彈性力的作用下,船舶開始反向加速,在反向加速的過程中,船舶與碼頭的擠壓效果和接觸面積均不斷減小,當碰撞力減為0時,表明船舶與碼頭已完全脫離接觸。

圖5 碰撞力時程曲線Fig.5 Timehistory curve of collision force

從圖6可以看出,變形能曲線在達到最大值后,先出現(xiàn)小幅下降,然后再保持不變。其中,變形能小幅下降是彈性形變恢復的結果,最后曲線保持不變的部分,即為構件塑性變形的變形能。另一方面,尾封板吸收的變形能要遠大于其他構件,吸能過程發(fā)揮主導作用,因此,若要增強船體尾部與碼頭碰撞時的耐撞性,可采取增加尾封板厚度或采用高強度鋼等措施,更要提高船尾內部結構的作用,進一步提高船舶的耐撞性。

圖6 船尾各構件變形能時程曲線Fig.6 Deformation energy time history curve of the stern

3 結語

本文通過模擬船舶以0.8m/s的初速度分別與碼頭發(fā)生首碰的工況,研究船舶在不同碰撞工況下的應力分布、塑性應變分布、碰撞力時程曲線、變形能時程曲線等,探討船舶-碼頭碰撞過程的動力特性,主要結論如下:

1)船舶與碼頭發(fā)生首碰時,應力主要分布在船首,貨艙段及船尾未出現(xiàn)明顯應力分布,碰撞過程中主要受力構件為船首外板及船首骨架。

2)船舶與碼頭發(fā)生相互碰撞時,主要受力構件和次要受力構件的動力響應存在較大差異,主要受力構件的應力分布特點是分布面積小,維持時間長,應力數(shù)值大;次要受力構件的應力分布特點是分布面積大,維持時間較短,應力數(shù)值小。但是,由于應力集中部分的作用,次要構件也達到較大的應力。

3)船舶與碼頭發(fā)生首碰時,球鼻首前端會發(fā)生凹陷,若不修復則會影響船舶的阻力性能,碰撞過程中,首部外板及骨架會發(fā)生變形,可能會對附近的人員、設備等造成傷害,實際工程中應該給予足夠的重視。

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