Verification of a simplified analytical method for predictions of ship groundings over large contact surfaces by numerical simulations

In this paper, a verification is presented of a simplified analytical method for the predictions from numerical simulations of structural performance during ship groundings over seabed obstacles with large contact surfaces and trapezoidal cross-section. This simplified analytical method was developed by Lin Hong and Jørgen Amdahl and calculates grounding characteristics, such as resistance and distortion energy, for double-bottomed ships in shoal grounding accidents. Two finite-element models are presented. One was built for a hold, and the other was built for a hold and a ship hull girder and also considers sectional properties, ship mass, added mass and the hydrodynamic restoring force. The verification was completed by comparing horizontal and vertical resistances and the distortion energy between seven numerical-simulation cases and a set of corresponding cases computed by a simplified analytical method. The results show that the resistances obtained by the simplified analytical method are close to the mean values of the resistance curves obtained by numerical simulations. The comparisons prove that the energy dissipation-prediction capability of the simplified analytical method is valuable. Thus, the simplified analytical method is feasible for assessing ship groundings over seabed obstacles with large contact surfaces and trapezoidal cross-section. Furthermore, studies of the influence of ship motion during groundings ascertained that ship motion affects structural performance characteristics. Resistances are lessened at the end of the grounding due to the reduction of indentations caused by heave and pitch motions of the ship hull girder. Finally, a new method for predicting the structural performance of the time-consuming complete-ship model by applying a combination of normal numerical simulations and ship-motion calculations is proposed and proven.     

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.     

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。     

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.     

船舶碰撞机理与耐撞性结构设计研究综述

研究船舶碰撞和触底事故的机理,以及如何提高船舶结构耐撞性是船舶碰撞研究领域的热点.文章介绍了解析法、数值仿真技术和风险分析法的发展与应用特点,阐述了近些年来船舶碰撞、船舶触底、缓冲船首设计、船桥碰撞和船舶与海洋平台碰撞等领域的研究成果,列举了一些降低船舶碰撞和触底事故风险的新型结构设计,并对今后的研究方向提出了若干建议.     

一种新的碰撞耗散能快速估算方法及其在船—平台碰撞事故中的应用研究

海洋平台在作业过程中存在遭受船舶碰撞的潜在危险,一旦事故发生将可能导致结构严重损伤从而影响平台的作业安全,因此在平台结构设计阶段需要考虑其抗撞性能.文章以海洋供应船撞击半潜式钻井平台为研究对象,基于碰撞外部动力学理论和DNV规范计算方法,计及平台艏摇运动响应的影响,提出了一种新的耗散能估算方法-DNV`R解析法.以非线性有限元船-平台碰撞数值仿真结果为参考,将该解析法与规范法、Zhang解析法及Liu解析法计算结果进行对比,研究得出:文中所提出的DNV`R解析法弥补了规范法较为保守且仅适用于对心碰撞场景的不足,计算过程简单、便捷,且计算精度与Zhang解析法和Liu解析法基本接近,能够满足船-平台碰撞耗散能快速估算的精度要求.     

基于解析法的船-平台碰撞耗散能快速估算方法

海洋平台在作业过程中存在遭受船舶碰撞的潜在危险,一旦事故发生将可能导致结构产生严重损伤从而影响平台的作业安全,因此在平台结构设计阶段考虑其抗撞性能具有重要意义.本文以供应船撞击半潜平台为研究对象,基于碰撞外部动力学分析理论,在浮式平台规范法耗散能计算基础上,运用解析法推导出考虑平台艏摇运动响应的船舶非对心撞击平台耗散能求解方程,同时借鉴船-船碰撞耗散能估算方法,得到一般碰撞场景即考虑船-平台在碰撞过程中相对运动的耗散能解析式,并自编计算耗散能程序,实现船-平台碰撞碰撞耗散能的快速估算.最后通过非线性有限元分析(NLFEA)方法,计算出供应船与平台在碰撞过程产生的应变能并与解析法的算例结果进行对比,结果表明:规范法耗散能估算方法较为保守,不适用于一般碰撞场景下的耗散能估算;本文所提出的耗散能解析法可用于准确可靠地估算相类似船-平台碰撞场景下撞击船的耗散能.     

船舶双层底结构在搁浅场景中的非线性结构动力响应机理研究

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。     

船舶碰撞运动的滞后特性

  目的  采用解析方法分析船舶碰撞动力特性较为快速和准确,其中外部动力学分析十分重要。  方法  为此,运用MATLAB程序实现船舶碰撞外部机理三维简化解析方法,计算两艘船舶碰撞的动能损失,并与二维解析方法的计算结果进行比对。在实现船舶碰撞动能损失快速计算解析方法的基础上,讨论碰撞高度、角度和位置对动能损失的影响。此外,还研究碰撞场景对保守恢复系数的影响和保守恢复系数对动能损失的影响。  结果  结果表明：三维解析方法得到的动能损失小于二维解析方法,碰撞高度对于动能损失有明显的影响;简化解析方法中,对于碰撞角度大于90°的场景,恢复系数简单地取0并不安全。  结论  在今后的外部动力学分析中,为了使动能损失的计算值更加准确,可以使用三维解析方法代替二维解析方法。     

基于弹性安定临界状态的船体梁极限强度Smith法研究

目的为准确评估船体梁的极限强度,考虑循环载荷下船体加筋板的弹性安定特性。方法基于非线性有限元数值模拟结果,对Rahman梁−柱法中加筋板单元的平均应力−平均应变关系进行修正,并充分考虑弹性安定状态、加筋板类型和失效模式,提出一种适用于弹性安定临界状态下加筋板平均应力−平均应变关系的修正方法,编制基于弹性安定临界状态的船体梁极限强度Smith法程序,并与非线性有限元数值模拟结果进行对比。结果结果显示,所提方法能够有效评估弹性安定临界状态下船体梁的极限强度,且相比非线性有限元方法更具计算优势。结论基于弹性安定临界状态的船体梁极限强度Smith法有助于船体梁极限强度准确且高效的评估。     

基于300 t气垫平台的接地仿真分析

针对一型300 t全垫升气垫通用平台,基于其甲板面的多天线布置现状,采用矩量法并利用相关电磁兼容计算软件(FEKO软件)进行气垫平台接地仿真分析,主要包括简化模型研究、整艇全尺寸模型仿真和船上设备接地的影响分析;最后,基于上述电磁环境分析以及仿真计算,得出相关结论。     

海洋石油平台电力组网的设计与实现

介绍了南海某油田海洋石油平台电力组网及其能量管理系统(EMS)的设计。针对海上石油平台电网的特点,设计中解决了小电网励磁涌流问题以及长距离海缆充电功率较大等问题;同时提出了集电网数据采集和安全监视(SCADA)、在线安控及电站综合自动化等功能为一体的EMS系统建设方案,解决了小电网的安全稳定控制问题。组网的实施增加了供电可靠性、减少了发电机组备用容量,节省投资、具有推广价值。     

船体长期监测系统的应用现状及发展趋势

船体长期监测系统(SHLTMS)用于对船体重要结构、关键构件及敏感部位进行结构应力实时监测和船体强度在线评估,时刻了解船体在各级海况下船体各部分的应力状态及运动状态。它对保障船体结构和人员安全、指导船舶的操纵以及船体寿命评估具有十分重要的意义。本文首先对船体长期监测系统进行概述,简要介绍船体长期监测系统的工程价值,接着对船舶长期监测系统的发展与应用现状进行分析,详细阐述国内外一些具有代表性的工程应用成果。最后对船舶长期监测系统存在的问题和未来发展趋势进行论述,为后续研究提供借鉴。     

船舶结构的搁浅数值仿真研究

文章用数值仿真法研究了船舶结构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、受力和能量耗散结果。研究表明,损伤变形集中于搁浅的区域,搁浅力学问题主要考虑局部的船体结构;肋板的存在显著地增加船底结构的抗搁浅能力,使礁石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,抗搁浅作用明显削弱。