船舶碰撞损伤影响因素研究综述_朱跃鹏.pdf

44船舶碰撞损伤影响因素研究综述朱跃鹏 周利坤*龚方圆 焦玉萍（武警后勤学院 后勤保障系 天津 3 0 0 3 0 9）摘 要：为减少船舶碰撞损伤的影响、增强船舶航行安全性、保护水面环境，船舶碰撞损伤影响因素受到关注。该文从撞击船首、被撞船舷结构以及两船的相对运动状态等 3 个方面对船舶碰撞损伤主要影响因素进行综述。从优化船首设计、增强船舷结构强度和驾驶船舶应急操作 3 个角度阐述减少船舶碰撞损伤的对策建议，指出其中存在的不足，并提出下一步船舶碰撞损伤研究展望：协调缓冲船首刚度与变形度、提高船舶耐撞性与增加船体结构质量，及应急操作与舵手能力不足之间的相互关系。关键词：船舶；碰撞损伤；影响因素；舷侧结构强度；研究综述中图分类号：U661.4 文献标志码：A DOI：10.19423/ki.31-1561/u.2023.03.044Review of Influencing Factors of Ship Collision DamageZHU Yuepeng ZHOU Likun*GONG Fangyuan JIAO Yuping(Logistics Guarantee Department,Logistics University of PAP,Tianjin 300309,China)Abstract:The factors affecting the ship collision damage have been attracting attention in order to reduce the impact of ship collision damage,enhance the safety of ship navigation and protect the water environment.The main influencing factors of the ship collision damage are reviewed from three aspects,including the impact of the bow,side structure of the collided ship and relative motion state of the two ships.The countermeasures and suggestions for reducing the ship collision damage are elaborated from three viewpoints including the optimization of the bow design,the strengthening of the side hull structure and the emergency operation,and the existing shortcomings are pointed out.Further research prospects for the ship collision damage are proposed,such as the coordination of the buffer bow,the crashworthiness enhancement and ship weight increase,and the interrelationship between the emergency operation and insufficient helmsman capabilities.Keywords:ship;collision damage;influencing factor;side structure strength;emergency operation收稿日期：2022-10-07；修回日期：2022-11-07作者简介：朱跃鹏（1996-），男，硕士研究生。研究方向：海警部队舰船碰撞。通讯作者：周利坤（1970-），男，博士，教授/硕士生导师。研究方向：舰船结构设计与优化。龚方圆（1995-），女，硕士研究生。研究方向：舰船结构设计与优化。焦玉萍（1996-），女，硕士研究生。研究方向：舰船结构设计与优化。0 引 言船舶碰撞是船体结构在极短时间内受到巨大冲击作用的一种非线性动态响应过程，具有结构复杂、持续时间短且冲击载荷大等特点1。碰撞可能会导致人员伤亡、爆炸及溢油等严重后果。因此，开展船舶碰撞损伤研究对增加船舶航行的安全性以及保护水面环境具有积极意义。船舶碰撞按碰撞区域可分为近海和远海碰撞，其区别主要体现在被撞物体距离海岸的远近。近海主要有：小型船舶之间的碰撞、船舶的搁浅与触礁，以及船舶与桥墩或者船舶与码头的碰撞。远海主要有：大型船舶间的碰撞、船舶与海上平台结构以及船舶与冰的碰撞。两船舶之间的碰撞是多维度的复杂问题，受到诸多因素影响，诸如船首刚度和形状、舷侧结构、45朱跃鹏，等：船舶碰撞损伤影响因素研究综述2023年第3期总第204 期总 体 与 结 构运动状态、相对吨位、撞击位置、撞击区间、货物载荷以及外部环境等。本文从撞击船的船首、船结构和两船的相对运动状态这 3 个方面进行综述，阐述船舶碰撞的主要损伤因素及其研究现状，并对船舶碰撞损伤将来的研究方向提出展望。1 船舶碰撞损伤国内外研究现状1.1 国外研究现状1.1.1 撞击船的首部形状和刚度德国WOISIN2开展大规模碰撞试验，采用112和 17.5 这 2 种模型比例，共进行 12 次高速船舶碰撞试验，探究船首形状（图 1 为前倾型和球鼻型船首）对船舶耐撞性的影响。试验结果表明：船首形状对碰撞结果影响很大，表现在舷侧损伤形状、接触面引起的局部碰撞力的大小和碰撞效果上，其中球鼻型船首的碰撞损伤相对较大。图 1 前倾型和球鼻型船首的有限元模型日本 ITO 等3进行了 5 组静力试验，将船首视为刚性模型，研究前倾型船首和球鼻型船首撞击双壳舷侧产生的结构损伤差异。结果显示：船首形状对双壳船结构损伤产生直接影响，并且主要体现在撞击深度和碰撞形状上。韩国 PAIK 等4利用有限元法对影响大型油船船舷耐撞性的多个因素进行模拟分析。结果显示：碰撞过程中，结构吸收能量与撞入船首的体积成线性递增关系；撞入船首的体积越大，碰撞造成的相对损伤越小。瑞典 HOGSTRM 等5在全面探讨影响碰撞的因素中提出：船首的形状对碰撞损伤的产生结果影响最大；“刚性船首”的假设既不够细致，也达不到深入研究的标准，实际碰撞场景分析应该针对非刚性船首。挪威 HARIS 等6将船首进行刚性处理，讨论球鼻型船首的曲率对船舷撞击阻力的影响。分析得出：碰撞初始时阻力相似，而后差异逐步明显，曲率大的球鼻型船首对外壳的破裂深度几乎是曲率小的船首的 2 倍。船首和舷侧结构的刚度相差很大，但为简化计算，往往将船首简化成刚性并视为不发生塑性形变。然而，随着研究深入，学者们提出船首刚度对损伤的影响不可忽视。挪威 HARIS 等7使用 LS-DYNA 软件对船舶碰撞的近似模拟情况进行分析，对比分析了非刚性船首和刚性船首的能量吸收情况。得出结论：非刚性船首在碰撞中吸收了约 13%的能量，有效降低了碰撞损伤。韩国 KO 等8提出：虽然撞击船的首部结构较被撞击船的舷侧结构硬度大很多，但碰撞过程中也会吸收能量。使用有限元法模拟双壳油轮碰撞（如图 2 所示），结合碰撞角度和速度，可寻求非刚性船首在碰撞过程中的耗散能量贡献。得出结论：刚性船首比非刚性船首具有更强穿透力，且随着两船相对速度的增加，影响越明显。图 2 双壳油轮非刚性船首有限元模型马来西亚 ABUBAKAR 等9考虑到船首非刚性对碰撞结果产生的影响，将船首刚度作为新的简化分析参数进行船舶碰撞速度和角度损坏预测，建立完整的船舶有限元模型研究碰撞期间的结构响应，根据计算结果推导出最大应力简化解析公式。得出结论：船首刚度系数 R 与最大撞击力成正比，即船首越坚固，造成损伤的后果越严重。461.1.2 被撞船的舷侧结构韩国 PAIK 等4考虑因碰撞情况不同产生的屈服、压碎和撕裂过程差异，并对船舶碰撞舷侧结构损伤进行研究。舷侧结构损坏过程为横梁和纵桁首先被压碎，随后外壳板破裂，内壳板进入膜张力状态，直至破裂。结论为：内外板之间的距离对于损伤有较大影响，内壳相较于外壳强度对损伤的影响更大。挪威 HARIS 等7分析舷侧结构在碰撞中，各部件吸收能量的能力。得出结论：主梁和外壳吸收能量较多，且外壳在某一撞深处吸收能量呈二次增长,这是外壳加筋板上的作用结果，内壳能量吸收很小。瑞典 HOGSTRM 等10改进双壳船结构，从提高碰撞深度和强度角度出发，分别选取波纹结构、X 芯结构和 Y 芯结构同双壳船现有结构耐撞性能比较（如图 3 所示）。分析得出：X 芯结构自身重且成本高，但吸收能量和撞击深度表现较好，具有较好的整体碰撞性能。图 3 双壳船不同结构耐撞性能比较韩国 PRABOWO 等11-12对双壳客船的结构进行了碰撞研究，选取单壳和双壳结构船舶进行碰撞性能分析并且比较 2 种不同的双壳船尺寸对碰撞损伤的影响。研究得出：双壳较单壳结构能量吸收多，其中纵板加强结构贡献较多。内壳结构对船舶抗撞性能有较大提高，内外壳之间的距离越小，对船体结构损伤越明显。可见，从安全性角度出发，双壳船结构较为安全。1.1.3 两船的相对运动状态MINORSKY13就碰撞船舶航行速度对碰撞损伤的影响进行模拟分析，航行速度设定为16 kn或10 kn，分析指出被撞船速度为 16 kn 时，受损区域面积增长 33%，但损伤深度较小。韩国 PAIK 等4在研究船舶碰撞舷侧结构损伤时发现，碰撞速度对船体结构吸收能量的大小影响较小，但速度增加会产生更多的碰撞能量，导致更大的碰撞损伤。日本 KITAMURA14对分析船舶碰撞中的不确定性因素进行有限元分析验证，指出：当被撞船在舷侧结构中没有纵向和主要横向结构时，被撞船的前进速度对船舷损伤和撞击船首有较大影响。芬兰 TABRI 等15开展了船与固定物之间的碰撞船舶模拟实验，用聚酯氨泡沫和冲击球模拟船舷遭遇球鼻型船首撞击，探究两船质量比和相对速度对损伤的影响。分析指出：两船质量比是主要影响因素，影响途径是碰撞总能量；相对速度是次要影响因素，影响途径是结构崩溃形式。瑞典 HOGSTRM 等5在全面探讨影响碰撞的因素中提出：撞击船的速度对碰撞结果产生重大影响，决定着结构吸收的动能量，碰撞角的分析应当针对不同的船体结构进行。韩国 PRABOWO 等16-19多次讨论碰撞参数在船舶碰撞损伤中的影响，以碰撞角度和速度为变量（参见图 4），分析各甲板的吸收能量、撕裂长度和变形程度。得出结论：撞击角度对船舶损伤有重要影响，主要体现在能量大小和分配上。90 碰撞时产生的能量最大，但用于破坏结构能量最小，主要转换为内能。速度对碰撞平均能量产生倍数影响，对船体耐撞性有显著影响。图 4 碰撞相对运动状态示意图马来西亚 ABUBAKAR 等9模拟研究碰撞角度和速度对船舶碰撞对结构损伤的影响，结果显示：在 0 90 范围内，碰撞角度越大，冲击力越高；超过 60 时，角度对冲击力影响逐步变小。较高的速度会导致更严重的危害，速度是碰撞损伤最主要的原因。（a）现有结构 （b）波纹结构（c）X 芯结构 （d）Y 芯结构47朱跃鹏，等：船舶碰撞损伤影响因素研究综述2023年第3期总第204 期总 体 与 结 构1.2 国内研究现状1.2.1 撞击船的首部形状和刚度刘敬喜等20对船首刚度影响船体损伤进行模拟研究，研究结论为：船首刚度对损伤有较大影响，这是由于舷侧结构损伤形式以及撞击力大小和卸载形式、撞击深度变化引起的。胡宗文等21建立碰撞模型，通过改变球鼻型船首材料参数，研究刚度对舷侧结构碰撞性能的影响，得出结论：非刚性船首能够吸收碰撞总能量的20%，对减小损伤有积极作用；但若船首和船侧刚度相差超过一定范围，则对碰撞性能影响不明显。刘昆等22深入研究船首形状对被撞船舷侧损伤的影响，对不同曲率的球鼻型船首和不同张角的