高能搁浅下双层底结构的损伤特性研究

船舶搁浅事故会引起船体破损、环境污染和人员伤亡等严重后果.研究船舶搁浅,不仅有利于海上生命安全、防止海洋污染,还可为船体结构的抗冲击设计及规范航运繁忙区域中船舶的航速、操作规程提供一定的依据.本文用数值仿真法研究了船舶高能搁浅中的内部力学问题,分析了典型双层底结构的损伤变形、受力和能量耗散等结果,提出了一种新式的抗搁浅YF双层底结构,并与原结构进行了比较.研究表明,损伤变形集中于结构与礁石相接触的区域,高能搁浅内部力学问题的研究可以主要考虑局部的船体结构;肋板的存在显著增加了船底结构的抗搁浅能力;高能搁浅过程中,由于垂直方向的接触力,礁石对双层底的垂向贯入量会略有减小;当纵桁远离搁浅区域时,它的吸能能力无法发挥,抗搁浅作用很弱;YF双层底结构比原结构具有更大的吸能能力和抗搁浅力.     

一种新型抗搁浅双层底结构

油轮双层底结构的抗搁浅设计对于防止石油泄漏、保护海洋环境具有十分重要的意义.本文提出了一种新式的抗搁浅YF双层底结构,利用数值仿真方法分析了该新式结构的损伤变形、搁浅力和能量耗散,并与原结构进行了比较.研究表明,YF双层底结构比原结构具有更大的吸能能力和抗搁浅能力.     

小水线面船搁浅模式及单点搁浅强度计算

小水线面双体船（SWATH）的搁浅强度、潜体碰撞性能与防撞设计是SWATH有别于常规船舶的关键技术。通过对SWATH的吃水特性进行研究，指出SWATH深置于水中的潜体极易与海底擦碰或搁浅，引起搁浅强度问题。分析SWATH的自身结构特点、航行与锚泊过程，提出SWATH可能的两个潜体整体搁浅、两个潜体多点搁浅、两个潜体两点搁浅、单个潜体整体搁浅、单点搁浅。对进入每一种搁浅模式的过程进行力学行为分析，将船舶的搁浅过程划分为接触阶段和搁浅阶段。接触阶段一般会使SWATH潜体局部凹陷或破口，亦有可能出现整船性的损伤：支柱断裂或显著塑性变形、连接桥断裂或连接桥显著塑性变形等。在搁浅阶段，搁浅处船体被抬升可能造成SWATH整船的结构破坏、局部受损结构的“继续破坏”。研究了SWATH搁浅后保证整船结构完整性和结构不变性的能力、抵抗局部受损结构“继续破坏”的能力。提出应采用的搁浅强度研究方法和思路并对某SWATH实船进行计算。     

基于ABAQUS的船舶搁浅数值仿真研究

船舶搁浅性能研究是船底结构设计的一个重要环节。应用国际上通用的动力有限元程序ABAQUS／EXPLICIT对船舶搁浅动力学过程进行仿真研究。通过系列仿真试验,对不同搁浅位置及摩擦系数的情形下船底结构的搁浅性能,包括结构的损伤变形、搁浅力和能量的吸收分别进行对比和分析,得到一部分重要的结论,为船舶搁浅性能的评估及结构优化设计提供重要依据。     

船舶搁浅于刚性斜坡数值仿真的模型化技术

显式非线性有限元分析已逐渐成为研究船舶搁浅问题的重要方法,但其模型化技术是实现数值仿真的关键。本文将搁浅船处理为可变形结构,用弹塑性材料模拟并进行整船建模,斜坡处理为刚体,用刚性材料模拟,船舶与斜坡之间定义为主从接触,船艏定义为自接触。通过仿真计算,获得并讨论了搁浅过程中的船体运动情况、搁浅接触力曲线、能量转化及船舶损伤变形情况。算例表明本文的模型化技术可以用于船舶搁浅的仿真计算。     

考虑细长杆件不同坠落角度的海洋平台甲板损伤预报方法

[目的]在海洋平台吊装作业中,因吊机设备老化以及违规操作等而造成的坠物事故在海洋平台作业中时有发生,其中在杆件结构,如套管、钻铤等设备方面的问题最为常见,因杆件坠落时接触面积小,常会导致板架结构的损伤破坏。[方法]选取细长杆件坠物撞击甲板结构的场景开展结构损伤研究。在此基础上,考虑坠落角度对结构损伤的影响,确定结构损伤变形模型,并运用塑性力学理论,建立考虑杆件坠落角度影响的结构损伤解析预报方法。[结果]结果显示,小角度坠落场景下的结构损伤变形大,结构吸能高,根据结构响应可将坠落角度分为4个角度区间;解析计算结果与仿真计算得到的吸能曲线在数值以及变化趋势上相近。[结论]在杆状结构以一定角度撞击甲板结构时,甲板产生的塑性变形区域形状会随着撞深而产生变化,针对各阶段甲板变形特点的解析计算对海洋平台甲板板架结构抗撞设计评估具有一定的指导意义。     

船舶双层底结构与台形礁石碰撞能量及搁浅阻力分析

提出一套基于双层底油轮搁浅于台型礁石场景下的结构损伤变形非线性机理模型和解析计算方法,并通过数值仿真计算验证该机理模型和解析方法的准确性。在整合双层底板材变形解析计算模型和加强筋变形解析计算模型的基础上,提出的结构变形机理模型能够同时考虑船底板材和加强筋的变形模态。以双层底油轮的一个舱段作为研究对象,使用数值仿真软件LS_DYNA在较大的撞深和礁石倾角变化范围内进行仿真计算,并进行比较。研究结果表明该解析计算模型的总变形能和平均水平搁浅阻力与数值结果吻合得较好,从而验证了机理模型和解析计算方法的可靠性。研究成果可以方便地应用到双层底船舶搁浅场景的结构性能快速预报,以及船舶耐撞性能结构设计中。     

双壳船体结构在楔形物撞击下的损伤特性试验及数值仿真分析

[目的]船舶碰撞的后果往往是灾难性的,尤其是由双壳油轮碰撞或搁浅事故所造成的海洋生态灾难,多年都难以恢复。为评估双壳结构的耐撞性能,开展双壳船体结构在楔形物撞击下的损伤特性试验与仿真研究。[方法]首先,针对双壳体结构模型开展准静态碰撞实验;然后,利用有限元软件LS-DYNA对双壳体结构试验模型进行数值仿真。[结果]结果显示:试验和数值仿真结果在撞击载荷响应与变形破坏模式上吻合较好;双壳体结构内、外壳板的变形及破坏模式区别较大;内、外壳板之间的横隔板产生的塑性变形会延迟外壳板的断裂。[结论]所做研究可用于船体舷侧结构或船底结构在遭受碰撞或搁浅时的损伤性能评估。     

船舶搁浅于台型礁石场景极限强度解析预报方法

针对双层底油轮搁浅于台型礁石的事故场景,通过对船底构件结构损伤机理的分析,提出一套结合船底结构损伤程度推算方法和Smith方法,评估损伤后船体剩余极限强度的解析计算预报方法。研究中应用数值仿真技术,模拟了船舶搁浅过程中的结构损伤及搁浅后船体极限承载过程,并与解析预报方法的结果进行了对比。结果表明,文中提出的对搁浅损伤后船舶剩余强度的解析预报方法准确性较好,对船舶双层底耐撞性结构设计和安全性评估都有一定的指导意义。     

小水线面船单点搁浅损伤特性分析

小水线面船吃水较深，极易与海底擦碰而搁浅，从而带来搁浅强度问题。小水线面船搁浅时，潜体和连接桥结构受载的严酷程度以单点搁浅最为严重且单点搁浅模式（即单点搁浅模式）发生的概率最大。基于非线性有限元理论，应用商用大型有限元软件建立小水线面的整船搁浅有限元模型，研究小水线面船分别触礁石和泥沙底以单点搁浅模式搁浅时的搁浅特性。通过仿真分析，获得小水线面船搁浅的时序损伤特性、搁浅载荷及小水线面船各部分结构在搁浅载荷作用下的强度性能。本文对SWATH的搁浅特性进行了初步的研究，所得结论对小水线面船结构设计和小水线面船搁浅强度的评估具有一定的参考价值。     

考虑弹塑性土体作用的船舶搁浅损伤特性研究

船舶软搁浅是指船舶搁置在由较软粘土构成的海床或者在柔软的浅滩上的事故。航运业的发展与船舶的大型化趋势使船舶发生软搁浅的风险大大增加,研究船舶的软搁浅性能对船舶设计与制造具有重要意义。本文基于有限元分析软件ABAQUS,选取典型的软搁浅场景,以12,000DWT油船舱段结构为分析对象,研究舱段结构在搁浅过程中的变形、吸能、加速度响应等性能参数。通过系统分析不同速度对船体结构的搁浅性能的影响,全面分析其搁浅性能。本文的相关结论可以为分析船舶软搁浅事故及设计抗冲击舱段结构有一定指导作用。     

A simplified method to predict grounding damage of double bottom tankers

This paper presents a set of analytical expressions for the calculation of damage opening sizes in tanker groundings. The simplified formulas were given for the grounding force, longitudinal structural damage and the opening width in the inner and outer plating of a tanker's double bottom. The simplified formulas derived are based on a set of numerical simulations conducted with tankers of different dimensions- 120, 190 and 260 m in length. The simulations were performed for five penetration depths and for several rock/ground topologies.The formula for the horizontal grounding force was derived provided the grounding force is proportional to the contact area and the contact pressure. By use of regression analysis it was shown that the contact pressure for any combination of ship and rock size can be expressed with a single normalized polynomial. The actual contact pressure was found by scaling the normalized pressure with the structural resistance coefficient. Given the formulation for the normalized contact pressure, the actual contact force for a ship can be found as a product of average contact pressure and the contact area.The longitudinal length of the damage was evaluated based on the average contact force and the kinetic energy of the ship. The damage opening widths in the outer and inner bottom of the ship were derived separately for two ranges of relative rock sizes as they have strong influence on the deformation mode. The damage widths were given as a function of rock size, penetration depth and double bottom height. To improve the prediction of the onset of the inner bottom failure, a critical relative penetration depth as a function of the ratio of the rock size and the ship breadth was established.Comparison to the numerical simulations showed that the derived simplified approach describes the horizontal grounding force and the damage length well for the penetration depths above 0.5 m. For the range of specified relative rock sizes, the damage width in the inner and outer bottom deviates from numerical simulations approximately up to 25%, which was considered sufficient for the analyses where rapid damage assessment is needed. Comparison was also made to real accidental damage data and to the results of several simplified formulas.     

碰撞/搁浅事故中船体强桁材结构损伤机理解析预报方法研究

随着航运业的快速发展,海上航行的船舶越来越多.尽管人们做了许多努力避免海上意外事故的发生,但海难事故依然不可避免.为了降低上述事故造成的损失,需要在设计阶段快速并准确地预报船舶的结构耐撞性.本文以强桁材结构为研究对象,通过开展准静态冲压试验及相应的数值仿真,分析强桁材结构在面内冲压载荷作用下的变形机理,并基于试验与仿真所得到的结构变形特点,提出强桁材面内受压时的变形模式.以此为基础,运用塑性力学理论,推导出结构变形能、瞬时结构变形抗力及平均结构变形抗力的解析预报公式,并将计算结果与试验结果进行比较验证.研究得到的结构面内受压变形能和抗力解析计算公式,可以快速评估事故载荷下结构的响应情况,包括结构变形阻力及能量耗散,具有使用方便,计算速度快,计算结果相对可靠的优点,对船体耐撞结构设计及抗撞性能评估具有一定的指导意义.     

基于全耦合分析技术的折叠式夹层板船体结构碰撞性能研究

船舶碰撞事故往往会带来灾难性的后果,船舶碰撞性能以及耐撞结构设计方面的研究一直受到国内外学者的重视。本文基于全耦合数值仿真分析技术,以一多用途船舷侧结构为研究对象,设计出两种夹层板新式抗冲击舷侧结构,并对原结构和新式结构的碰撞性能进行比较。研究结果表明,新式舷侧结构发生损伤变形的区域较大,参与抵抗撞击的构件增多,损伤变形程度有所降低,且在总重量相当的条件下总吸能有大幅提高,可以有效缓解高能碰撞对结构的危害。     

Analysis of structural crashworthiness of double-hull ships in collision and grounding

A conceptual design framework for collision and grounding analysis is proposed to evaluate the crashworthiness of double-hull structures. This work attempts to simplify the input parameters needed for the analysis, which can be considered as a step towards a design-oriented procedure against collision and grounding. Four typical collision and grounding scenarios are considered: (1) side structure struck by a bulbous bow, (2) side structure struck by a straight bow, (3) bottom raking, (4) bottom stranding. The analyses of these scenarios are based on statistical data of striking ship dimensions, velocities, collision angles and locations, as well as seabed shapes and sizes, grounding depth and location. The evaluation of the damage extent considers the 50- and 90-percentile values from the statistics of collision and grounding accidents. The external dynamics and internal mechanics are combined to analyse systematically the ship structural damage and energy absorption under accidental loadings.     

基于折叠式夹层板船体结构耐撞性设计

提高船体结构的耐撞性能是开展船舶碰撞与搁浅研究的主要目的,通过船体结构耐撞设计提高船舶的安全性,对常规船体结构进行优化来提高结构耐撞性能是有限的,设计新型高效的吸能单元是提高结构耐撞性能的有效途径m折叠式夹层板具有吸能好、比强高、刚度大等特性,是一种理想的能量吸收单元.引进特种吸能单元FSP设计出一种新式耐撞结构形式,分别应用于双壳、单壳舷侧结构,对其耐撞性能进行研究.通过数值仿真计算分析,证实FSP舷侧结构显著提高了单壳、双壳舷侧结构的抗撞能力,FSP结构是一种先进的耐撞结构形式.     

船舶碰撞运动的滞后特性

船舶碰撞过程中,被撞船的刚体运动较之碰撞区的局部损伤变形而言,存在一定程度的滞后效应。本文从理论分析和数值仿真两个方面对该滞后现象进行了研究。研究结果表明：被撞船的运动滞后与撞击速度有重要关系;在高速撞击时,船舶碰撞的内、外部机理计算可相对独立地进行,而不会引起明显的分析误差。