张 磊 甘浪雄 李 慧 周春辉 郑元洲 赵晓博

(武汉理工大学航运学院1) 武汉 430063) (内河航运技术湖北省重点实验室2) 武汉 430063)(长江航运发展研究中心3) 武汉 430014) (南京海事局4) 南京 210011)

两船碰撞过程是在短时间内发生的非线性动态响应过程，影响因素包括两船碰撞时的速度、角度及位置等，从船体自身来说，结构耐撞性能是其主要因素[1-3].船舶粗略可以分为船首段、船中段和船尾段，船舶不同区间段的结构强度不同，碰撞所导致的损伤、损失和风险程度也将有所不同.若碰撞不可避免时，驾驶员采取应急操纵使船舶避开碰撞危险区间，对减少碰撞损伤和损失有着重要的意义.

国内外学者对有限元方法的可靠性做了大量研究，通过与实船试验或实际勘验结果进行对比，分析有限元法的准确性和可靠性，得出仿真结果与实际吻合度较高[4-5].刘闯等[6-8]利用不同的风险评估方法，定性或定量对船舶碰撞风险进行评估，并提出相应的措施；Brown等[9-10]从风险角度定量分析了船舶碰撞结构损伤和风险性情况.

若综合考虑不同碰撞区间的有限元仿真试验结果及碰撞后的风险评估结果，将能更加合理和准确的界定船舶碰撞最危险的区间.本文以两艘10 000 t级单舷侧结构散货船为研究对象，将被撞船划分为“船首球鼻首段”“船中货舱段”和“船尾机舱段”三个碰撞区间段，并建立相应的有限元碰撞模型，从碰撞应力、结构损伤、能量变化3个方面对船舶三个碰撞区间进行有限元仿真，同时从碰撞概率、碰撞后果两个方面对三个碰撞区间的风险进行分析，最终确定船舶碰撞最危险的区间.

本文选取两艘10 000 t级散货船作为研究对象，撞击船和被撞船的尺度见表1.

表1 碰撞船舶基本参数表

设定的碰撞场景为两船正碰，由于碰撞过程中，撞击船船首变形一般非常小，而被撞船损伤变形较大[11]，故本文将撞击船视为刚体，将被撞船视为变形体.此外，由于船舶碰撞具有局部效应，为了提高运行速度，往往利用等效梁模型来代替远离碰撞区域的有限元模型.本文所研究的被撞船不同区间段均参与碰撞，故不能对其简化；而撞击船仅球鼻首为碰撞区域，为了提高运行效率，球鼻首后面的船体部分可利用等效梁模型代替.因此，需建立被撞船整船模型，撞击船有限元模型可进行简化处理.本文根据船舶实际图纸建立有限元模型，图1为被撞船和撞击船的有限元模型.

图1 有限元模型

有限元模型建立完成后，需进行接触、材料、属性、约束等参数定义和设置.本文选择船用结构钢(高强度钢)作为船舶材料，其材料模型选用塑性动态模型[12]；采用自适应主-从接触算法，且对模型不施加约束，使碰撞船舶具有六自由度的运动；同时采取质量分配的方法对货物进行等效处理，将货物的质量分配至不影响碰撞的区域构件上；在处理水的作用时，对被撞船周围的水采取流固耦合方法，以提高计算精度，而由于撞击船不是研究重点，为了节约运行时间，对撞击船周围的水采取附连水质量法.

三个碰撞区间所对应的有限元碰撞模型见图2.

图2 各碰撞区间的船舶碰撞有限元模型

针对不同碰撞区间建立模型后，进行输出设置，设置运行时间均为0.5 s，相对撞击速度均为7 000 mm/s，相对撞击角度均为90°，并利用MSC.Dytran进行运行.

1.2.1碰撞应力

两船碰撞时，相互间会产生碰撞接触力，随着碰撞的发生，接触力将不断发生变化，直至碰撞结束，接触力降至0.图3为三个不同碰撞区间的碰撞力有所不同.

图3 各碰撞区间碰撞力时序曲线图

由于本次试验设置时间为0.5 s，此时船舶碰撞并未结束，故碰撞力在0.5 s时不为0.由于船体结构在巨大的碰撞载荷下往往会出现变形甚至破裂，若船体构件出现破裂，即代表该结构失效，此时碰撞力将下降，应力卸载现象发生，因此，在船舶碰撞的过程中，会形成波动明显的碰撞力曲线变化.由图3可知，不同碰撞区间船舶碰撞力的变化趋势一致.比较三个区间的碰撞力大小，可以得出在碰撞的过程中，船首球鼻首段平均碰撞力高于船中货舱段，船尾机舱段最小.说明船尾段结构强度最小，意味着，船尾结构在同等撞击条件下承受碰撞载荷的能力最小，更容易发生结构失效.图4为三个碰撞区间的应力云图，可以看出应力主要集中在碰撞区域，且距离碰撞区域越远，应力越小，颜色表现越浅.

图4 被撞船应力云图

1.2.2结构损伤

在0.5 s的碰撞时间里，三个碰撞区域均出现了外板破裂的情形，但结构损伤的程度和范围有所不一，见图5～7.

图5 船首球鼻首段碰撞区域结构损伤云图

船首球鼻首段产生碰撞力，被撞区域外板在外部载荷的作用下开始发生变形，且变形不断向两端延伸；在0.38 s时，外板达到了其最大失效应力值，失效单元将从网络中自动去除，即开始出现破裂；随着碰撞的进行，更多的构件参与变形，在撞击船持续的动能作用下，碰撞区域破口不断增大；直至仿真结束，外板破口近似为长方形，破口长度约为5 251 mm、宽度约为925 mm.

图6 船中货舱段碰撞区域结构损伤云图

船中货舱段碰撞区域的损伤情况与船首类似，但在同样的撞击条件下其损伤程度更严重，如图7所示.在0.37 s时，被撞船舷侧出现破口，直至仿真结束，舷侧外板破口与船首段类似，近似为长方形，但破口尺度较船首段更大，长约为6 900 mm，宽度约为1 760 mm.

图7 船尾机舱段碰撞区域结构损伤云图

船尾机舱段与船首段和船中段的损伤过程不同，它包括二个损伤部分：①水线面以上部分，②水线面以下部分.当撞击船碰撞船尾段时，撞击船首上部结构先接触被撞船的船尾结构，随后撞击船下部球鼻首接触被撞船尾外板.从仿真时序图来看，在0.16 s时，船尾水线面以上的尾楼甲板及连接的舱壁出现破口；在0.37 s时，水线面以下的尾部外板出现破口；直至0.5 s时，上部结构损伤破口长约3 010 mm、宽约2 930 mm，下部结构损伤破口长约2 900 mm、宽约1 970 mm.与前两个碰撞区域相比，损伤范围最大，且发生破裂的时间最早.

总体而言，在相同的撞击条件下，三个碰撞区域结构出现了不同程度的变形和损伤.通过分析和对比，船尾机舱段的损伤程度最大.

1.2.3碰撞能量

撞击船以一定的初始动能撞击被撞船，两船在初始动能的作用下会发生能量转换.由于本文撞击船为刚体，不发生变形能吸收过程，且被撞船初始动能为0，故撞击船的动能损失会转换为被撞船的塑性变形能、被撞船动能及沙漏能，其中，塑性变形吸能所占比重最大.各能量转换的具体数值见表2.

表2 能量转换数据表 ×105 J

结构的极限吸能指舷侧外板破裂瞬时的变形能大小.对于三种不同的碰撞区间，在相同的撞击条件下，如果被撞船极限吸能越小，表示所能承受的撞击能量越小，其外板越容易发生破裂，区间越危险.根据表3的结果，单纯就结构破裂时的极限吸能而言，船尾机舱段结构防撞性能最弱，所能承受的撞击能量最小，区间危险度最高.

表3 外板破裂时刻的极限变形能

为了分析三个碰撞区间段的碰撞概率，本文对近年各海事局辖区水域的水上交通事故情况进行统计和分析，包括深圳、福州、连云港、厦门等辖区水域.首先对事故进行分类，得出水上交通事故种类分布概率；其次在碰撞事故中对涉及到的船舶种类进行分类，得出碰撞事故中船舶种类分布概率；最后，针对散货船的碰撞事故进行分析，从而得出三个碰撞区间发生碰撞的概率情况.并以“频繁发生(发生概率70%以上)、很可能发生(发生概率40%～70%)、很少发生(发生概率10%～40%)、极少发生(发生概率10%以下)”为四个等级进行划分统计，分析结果见表4.

表4 散货船碰撞事故中各区间段发生碰撞频率分布

根据调研收集到的数据分析可得，在散货船碰撞事故中，船首球鼻首段发生碰撞的可能性最大，船中与船尾发生频率相差不大.通过对其进行等级划分，船首球鼻首段发生概率属于“很可能发生”等级，其他两个区间段属于“很少发生”等级.

采用二级模糊综合评价方法对3个区间发生碰撞的后果严重度进行分析，具体包括确定评价因素、评价集、评价标准、隶属度、各因素的权重，以及进行模糊综合评价和评价结果分析.其中评价因素见表5.

表5 船舶碰撞后果严重度二级评价因素模型

针对船舶碰撞后果严重度的大小，本文将其划分为五个等级，即V={V1，V2，V3，V4，V5}={轻微，较轻度，中度，较严重， 非常严重}.并参考“水上交通事故管理办法(2015年1月1日实施)”和“水上交通事故分级标准”(交通部2002年第5号)，同时征求海事部门、船员以及船公司的意见进行分级，确定各评价因素的评价标准见表6.

表6 各评价因素的评价标准

以表6的评价标准为基础，采用隶属函数以及专家打分的方式确定隶属度.对于定量因素的分析，采用岭型隶属函数，以经济损失为例，其隶属度函数为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

此外，通过对海事部门、船员、船公司、专家等进行问卷调查，同时利用YAAHP(yet another AHP)软件构建的层次结构模型(见图8)，最终计算得出各一级指标和二级指标对应的权重值.

图8 船舶碰撞后果严重度层次结构模型图

最后，将V量化为{1，2，3，4，5}，并设bj为二层级模糊综合评价所得的向量值，则最终评估结果为

(6)

所得到的Q值即为船舶碰撞危险度整体评价的等级.根据计算，船首球鼻首段Q=2.155 1，即发生碰撞后所导致的后果严重度为“较轻度”；船中货舱段Q=3.411 4，为“中度”；船尾机舱段Q=3.945 4，为“较严重”.

参考国际海事组织(IMO)建议的规范化安全评估方法(FSA)对碰撞概率与碰撞后果进行综合评估.本文采用的FSA风险评估矩阵见表7.

表7 FSA风险评估矩阵表

将三个区间的碰撞概率与后果严重度分别代入表7中，其中对应的水平越高表示风险越大.因此，综合评估船舶碰撞损伤风险情况得出，船舶船尾机舱区间段发生碰撞后，其损伤风险最高.

在有限元仿真方面，综合分析得出船舶碰撞船尾机舱段的损伤危险度最高，其次是船中货舱段，最后是船首球鼻首段；在风险评估方面，得出船舶船尾机舱区间段发生碰撞后的损伤风险最高，船中货舱段与船首球鼻首段风险水平一样.综合有限元仿真以及风险评估两个层面，最终得出船舶碰撞损伤最危险的区间为船尾机舱区间段，最不危险的区间为船首球鼻首区间段，船中货舱段的危险度位于两者之间.

若两船碰撞不可避免，为了减少船舶碰撞的损伤和损失，提出以下两点建议：

1) 在结构优化方面，建议船舶从舷侧结构上进行改进和优化，可采取新型舷侧结构，提高自身的耐撞性能，从而达到降低船舶碰撞结构损伤的目的.填充层结构增强了船舶的防撞性能，建议优化和改良船尾机舱段结构，在不影响船舶总纵强度的前提下，可添加必要和适当的填充层结构来增强船舶的耐撞性[13].

2) 在应急操纵方面，由于船尾机舱段为船舶碰撞损伤最危险的区间，故建议在碰撞不可避免的情形下，驾驶员应采取转向操作，避免碰撞船尾机舱区间段.

1) 运用MSC. Dytran进行有限元仿真，综合考虑3个碰撞区间的碰撞应力、结构损伤和能量变化的仿真结果，得出船舶碰撞船尾机舱区间段的损伤危险度最高，其次是船中货舱段，最后是船首球鼻首段.

2) 利用风险评估方法对三个区间段的碰撞概率和后果进行风险评估，基于近年各水域的水上交通事故数据，并采用模糊综合评价以及FSA风险评估法，最终界定船舶船尾机舱区间段发生碰撞后的损伤风险最高.

3) 综合有限元仿真以及风险评估两方面研究，得出船舶碰撞损伤最危险的区间为船尾机舱区间段.为了减少船舶碰撞的损伤和损失，建议优化和改进船舶机舱段结构，且在碰撞不可避免的情形下，建议驾驶员采取转向操作，避免碰撞船尾机舱区间段.

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