船舶碰撞同步损伤过程深度研究：MSC.Dytran应用实例分析

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随着船舶运输的发展，海上事故也有所增加，船舶碰撞更是时有发生。船舶碰撞一般涉及撞击船和被撞船两方，发生碰撞时它们同时会有不同程度的损伤变形，但对这一过程进行准确地理论分析却非常困难。本文采用非线性有限元数值仿真方法，同时考虑了撞击船和被撞船结构双方的变形，对船舶碰撞同步损伤过程进行了研究。

一、前言

船舶碰撞是船体结构在很短的时间内，在巨大冲击载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程。一般来说，碰撞至少涉及一艘被撞船和一个碰撞物体，或者两艘船舶。根据被撞船中心线与碰撞船或物体速度矢量的相对位置，碰撞分为正碰和斜碰，而结构响应与相对位置有很大的关系。

在最危险的直角碰撞中，撞击船艏和被撞船舷侧结构的相对刚度和能量吸收是两个关键。在一般的船舶碰撞研究中，不论是理论方法还是有限元分析方法，通常只考虑被撞船舷侧的变形，而把撞击船的船艏设定为刚体以简化计算及分析。比如，一般的船舶舷侧板遭球鼻艏撞击时的理论公式及简化公式中，都将撞击船艏视为刚体，从而大大简化碰撞分析过程。在有限元模拟船舶碰撞的分析中，通常将被撞船的舷侧撞击区处理成可变形结构，撞击船的艏部作刚体处理，这样可以大大简化分析和计算，也是偏安全的，一般可以作为近似结果。但若从碰撞研究的角度来看，考虑碰撞双方的真实变形和吸能，对船舶碰撞过程进行真实模拟也是必不可少的，因此本文采用大型动态分析软件MSC.Dytran，对撞击船艏部和被撞船舷侧的同步损伤特性进行碰撞仿真研究。

二、碰撞模型

为了研究一种比较普遍且危险的状态，本文假设两艘相同型号的船发生垂直碰撞，碰撞时它们的吃水状态相同，正浮于水面。为了减少建模工作量，缩短计算时间，不必将两艘船舶的全船模型作为有限元分析的计算模型。

本文将撞击船的艏部和被撞船的舷侧撞击区处理成可变形结构，作为计算模型，通过定义边界约束和大质量单元来模拟全船模型的碰撞效果，碰撞时被撞舰船静止在水面上，舷侧受到另一艘舰船艏部的垂直撞击，碰撞模型如图1所示。

图1 碰撞模型

模型采用某型护卫舰舰体结构形式，艏部模型取为艏柱至15#肋位的一段舰体，舷侧模型取94#肋位至114#肋位舰体，舰体材料相同，采用线性强化弹塑性模型，并考虑材料应变率敏感性。由于舰艏和舷侧结构有限元模型的网格大小不同，它们的最大塑性失效应变分别为0.43和0.33。

有限元全部采用4节点壳单元，模型的节点数为24763，单元数为24515，如图2所示。

图2 有限元模型

三、计算结果及其分析

利用大型非线性有限元动态响应分析程序MSC.Dytran，对上述碰撞模型进行数值仿真。在P4计算机上，追踪计算到大约撞深0.45米时（此时上甲板和舷侧外板已经破裂），需运算约23小时（82,014秒）。

1.结构同步损伤变形

舰艏结构与舷侧结构撞击后的损伤变形结果，如图3所示。

图3 船艏与舷侧结构碰撞损伤变形（局部）

从图3中可以看出，由于吨位与吃水状态相同，球鼻艏结构并没有接触碰撞到被撞船舷侧，与舷侧结构发生碰撞的是水线上方艏柱前倾部分，被撞船的碰撞区域在上层甲板及相连的舷侧外板。从图中还可以看出，撞击船艏的艏柱部分已经切入到了被撞船的舷侧内部，这时被撞船的舷侧外板和上甲板均发生了破裂，但撞击船艏部没有大的变形和损伤，也没有破裂。

值得注意的是，碰撞使撞击船艏部在船长方向发生了倾斜。在真实侧向垂直碰撞时，撞击船也会发生纵向的倾斜，但本文数值计算的艏部倾斜状态与真实状态略有不同，产生这种情况的原因有以下几点。

(1)将撞击船简化成只有艏部结构，整船重量加于船艏的后部，虽然保证了冲击的动能不变，但全船撞击时的纵向转动轴心要远远大于船艏结构的纵向转动轴心，即船长方向的惯性矩不同使倾斜角度与真实情况相比偏大。

(2)被撞船简化成一个舷侧舱段后，两端施加了约束，限制了船宽方向的转动，也使得艏部的仿真计算倾斜角度与真实情况相比偏大。

(3)真实情况下船舶碰撞发生在水中，水对其运动有阻尼作用，而仿真计算时没有考虑水的影响，也会使艏部发生较大的倾斜角度。

虽然在碰撞过程中，艏部的碰撞姿态与真实情况存在些许差别，但基本不影响结果的正确性。

2.撞击船艏部结构的损伤变形

撞击船艏结构发生碰撞后的损伤变形情况，如图4所示。