【正文】 .................................................................................................. 18 致 謝 ........................................................................................................................ 20 不同礁石形狀對(duì)雙殼油船擱淺仿真的影響 1 第 1章 緒論 選題背景 隨著海運(yùn)事業(yè)以及造船技術(shù)的迅速發(fā)展，船舶數(shù)量迅速增長(zhǎng) ，船舶擱淺風(fēng)險(xiǎn)也顯著提高 [1]。由此可見(jiàn)，雙殼油船發(fā)生擱淺事故，不僅讓船東和貨主蒙受巨大損失，而且將會(huì)導(dǎo)致大面積海域污染。無(wú)論是從造成損失的嚴(yán)重性、發(fā)生的頻率等角度來(lái)說(shuō)，都應(yīng)該 獲得 人們的關(guān)注和研究。 國(guó)內(nèi)外 研究現(xiàn)狀 船舶的擱淺問(wèn)題需要對(duì)多方面問(wèn)題進(jìn)行分析，而且擱淺本身又是一種強(qiáng)非線性現(xiàn)象，因而研究難度較大。 不同礁石形狀對(duì)雙殼油船擱淺仿真的影響 2 Wierzbicki(1995)[2]研 究鈍形物切割金屬板時(shí)提出了金屬板的形變模式和簡(jiǎn)化的理論方法，得到求解板的抵抗力和折疊波長(zhǎng)的閉合解，隨后 Ohisub 與 Wang[3]給出切割板的上限解。 Paik 和 wierzbieki[6]將九種現(xiàn)有的板撕裂的解析或經(jīng)驗(yàn)公式與試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比， simonsen 和 wierzbieki[7]研究了準(zhǔn)靜態(tài)下韌性金屬板被有限寬度楔形物切割的問(wèn)題，代表了船舶底部被礁石撕裂的碰撞場(chǎng)景，他們提出的公式?jīng)]有考慮動(dòng)態(tài)特性，如果要應(yīng)用到實(shí)際尺度的切割問(wèn)題或者船舶擱淺問(wèn)題時(shí)，現(xiàn)有的分析模型至少需要考慮應(yīng)變率效應(yīng)。 Card[10]首次進(jìn)行了擱淺事故的統(tǒng)計(jì)工作。然而他在試驗(yàn)過(guò)程中忽略了很多因素，因此得到的經(jīng)驗(yàn)公式和 Minorsky的相差不大。 Jolles[12]在 Vanghan 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究厚度為 的船底鋼板在船舶擱淺形變過(guò)程中造成的能量損失，并且通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析再一次得到了計(jì)算擱淺所需能量的經(jīng)驗(yàn)公式。 Simonsen 在考慮摩擦、大塑性形變及斷裂之后提出了一組用來(lái)計(jì)算圓形礁石不同礁石形狀對(duì)雙殼油船擱淺仿真的影響 3 船底響應(yīng)及形變的表達(dá)式 [14]，為了驗(yàn)證其理論的正確性，后來(lái)在美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心進(jìn)行了四次大尺度 的試驗(yàn) [15]。 Zhu 等 [17]在 Lloye 的統(tǒng)計(jì)調(diào)查報(bào)告與損傷數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，將半經(jīng)驗(yàn)公式與應(yīng)用理論模型相結(jié)合，評(píng)估了船舶擱淺的損傷范圍，得到滾裝船發(fā)生擱淺事故后損傷長(zhǎng)度的分布情況，同時(shí)提出船底與圓錐形礁石發(fā)生擱淺撕裂情形下結(jié)構(gòu)抵抗力的評(píng)估方法。日本 ASIS 協(xié)會(huì)在國(guó)際船舶結(jié)構(gòu)大會(huì)報(bào)告 [19]中報(bào)告了他們于 1993 年進(jìn)行的大量船舶擱淺試驗(yàn)。王自力和李江濤 [24]做了關(guān)于船舶擱淺于剛性斜坡上的數(shù)值仿真研究。 Samuelides 等 [26]對(duì)圓錐型礁石撕裂雙殼船底的現(xiàn)象進(jìn)行模擬研究，分析了邊界條件和網(wǎng)格大小等因素對(duì)接觸力造成的影響，證明縱桁的褶皺形變現(xiàn)象在細(xì)網(wǎng)格下更加明顯。 本文 工作 內(nèi)容 雙殼油船擱淺的過(guò)程中，由 于船體的材料和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大的位移和形變，故雙殼油船擱淺是一個(gè)強(qiáng)非線性問(wèn)題，因此想要獲得一個(gè)精確的解析解 幾乎是不可能的，本文將在前人研究的基礎(chǔ)通過(guò) ANSYS 軟件建立雙殼油船擱淺的有限元模型，并將礁石分為錐形、球形、臺(tái)形三類(lèi)，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，獲得不同類(lèi)型礁石對(duì)雙殼油船擱淺影響的一般性規(guī)律。 不同礁石形狀對(duì)雙殼油船擱淺仿真的影響 5 第 2章 船舶 擱淺的基本理論 擱淺運(yùn)動(dòng)方程及求解方法 本文在 分析時(shí) 采用 適用于求解瞬時(shí)動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題的有限元求解方法 [25]—— 顯示 積分法 對(duì)常微分方程組 FKdCvM ???a 進(jìn)行求解， 得到 擱淺船舶的運(yùn)動(dòng)方程： ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?exFdKvCaM ??? () 式中， [M]是質(zhì)量矩陣； [C]是阻尼矩陣； [K]是剛度矩陣； {a}是加速度矢量；{v}是速度矢量； {k }是位移矢量； {Fes}是外力矢量。由于顯示積分的精確度與時(shí)間步長(zhǎng)息息相關(guān)，因此確定好積分的時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)于用顯示 積分算法求解船舶擱淺問(wèn)題時(shí)尤為 重要 ，應(yīng)保證時(shí)間步長(zhǎng)不能 大于 某一臨界時(shí)間步長(zhǎng)。船舶擱淺問(wèn)題中，影響時(shí)間步長(zhǎng)最主要的因素是單元的尺寸，因?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)的材料大都是相同的，因此控制單元尺寸、簡(jiǎn)化有限元模型對(duì)于提高計(jì)算效率影響甚大。 不同礁石形狀對(duì)雙殼油船擱淺仿真的影響 6 擱淺 經(jīng)驗(yàn)公式 早在 1950 年 ， Minorskv[26]就 率先 提出了用于船舶擱淺的經(jīng)驗(yàn)公式，并得到了廣泛的應(yīng)用。直到 1999 年， zhang[27]在 Minorskv 的基礎(chǔ)上提出了用于船舶擱淺分析的簡(jiǎn)便方法。 (1) 壓潰或褶皺變形模式 ? ? TORdtE ?? () eqdamdamT tBLR ? () 式中 t 代表壓潰板的平均厚度， d 代表壓潰截面的平均寬度， TR 代表材料的損失體積。 (2) 拉伸變形模式 TOC RE ??? () fE ?? () 式中， O? 代表材料的流動(dòng)應(yīng)力， C? 代表 臨界斷裂應(yīng)變， f? 代表材料延性， TR代表 材料的損失體積。式 ()和式 ()的 加和 一般用來(lái)求解估算船舶舷側(cè)碰撞的變形能。 不同礁石形狀對(duì)雙殼油船擱淺仿真的影響 7 第 3章 船舶擱淺有限元模型的建立 問(wèn)題描述 本文選擇擱淺的船舶為一艘 5 萬(wàn)噸級(jí)雙殼油船，雙層底之間的高度約為 ，考慮到擱淺損傷的局部特性并節(jié)約計(jì)算成本，所以模型中的擱淺艙選取了 部分艙段，假定該船以 5m/s 的初始航行速度分別擱淺在 3 種不同類(lèi)型的礁石上，且假定擱淺位置不變，并定義摩擦系數(shù)為 。本文采用了自底向上的建模方法，遵循關(guān)鍵點(diǎn)、線、面、體的順序進(jìn)行建模。下圖分別是建成后的雙層底和臺(tái)形礁石、球形礁石、錐形礁石的幾何模型。 2．在船舶擱淺過(guò)程中，由于尺寸相對(duì)較小構(gòu)件的能量吸收能力很小，對(duì)擱淺響應(yīng)分析影響不大，并且網(wǎng)格劃分時(shí)容易出現(xiàn)極小單元而導(dǎo)致計(jì)算量太大減慢甚至終止，因此將上述構(gòu)件進(jìn)行合理的等效處理，雙殼油船擱淺的內(nèi)部機(jī)理著重研究與礁石接觸的船體局部結(jié)構(gòu)的損傷形變、受力和能量耗散。船舶結(jié)構(gòu)材料為低碳鋼，其材料模型采用應(yīng)變敏感性的 Coupersymonds 本 構(gòu)方程，最大失效應(yīng)變?yōu)?。 單元類(lèi)型 船體本文采用 SHELL 163 單元，對(duì)于礁石本文則采用 Solid 163 單元，在殼單元算法中， SHELL 163 單元在 ANSYS/LSDYNA 中提供了 12 種算法供各種研究。 建立有限元模型 在確定幾何模型、單元類(lèi)型和材料類(lèi)型后，要對(duì)船舶和礁石的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提高計(jì)算精度與分析效率，必須劃分前對(duì)網(wǎng)格的精細(xì)程度、形狀和質(zhì)量進(jìn)行規(guī)劃。網(wǎng)格過(guò)粗，雖然計(jì)算時(shí)間比較少，但是計(jì)算結(jié)果不精確。除此之外，由于礁石被定義為不可形變的剛體模型，而且不是本文的研究重點(diǎn)，因此采用的網(wǎng)格也較粗。若迫不得已要用到三角形單元的話，則盡量采用等邊三角形單元， 以避免過(guò)小邊長(zhǎng)而出現(xiàn)畸形形變的情況 。由圖可知船舶擱淺于臺(tái)形礁石情形下船底結(jié)構(gòu)吸收的能量明顯大于擱淺于其他兩種礁石的情形，這是因?yàn)榇霸谂_(tái)型礁石處發(fā)生擱淺時(shí)，該處的縱桁、縱骨、內(nèi)外底板及肋骨均發(fā)生了形變，相比擱淺于球形與錐形礁石下多了縱桁這一形變構(gòu)件，故擱淺于臺(tái)形礁石下船舶雙層底結(jié)構(gòu)吸收的能量較擱淺于其他兩種礁石情況下吸收的能量要多。 圖 能量 時(shí)間曲線 Energe Density curves 擱淺力指 的是擱淺船舶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同礁石和船底之間的相互作用力。 圖 是擱淺在不同的礁石形狀下力隨時(shí)間變化的曲線圖。這是因?yàn)閿R淺后臺(tái)型礁石主要與外底板、縱桁、縱骨及肋骨發(fā)生接觸，而錐形礁石與球形礁石主要是不同礁石形狀對(duì)雙殼油船擱淺仿真的影響 11 在外底板、縱骨及肋骨中發(fā)生擱淺，少了縱桁的支持，故臺(tái)型礁石的擱淺力比其他兩種礁石擱淺力大。 圖 擱淺力 時(shí)間曲線 Force curves 船底結(jié)構(gòu)損傷形變 本文主要研究了雙殼油船擱淺于三種礁石情形下船底的結(jié)構(gòu)損傷形變。因此本文從船底的主要組成構(gòu)件：縱骨、縱桁、肋骨、外板、內(nèi)板的形變情況來(lái)分析船底結(jié) 構(gòu)的損傷形變模式。 不同礁石形狀對(duì)雙殼油船擱淺仿真的影響 12 圖 t= 船體形變圖 t= Hull transformation diagr