摘 要摘 要近些年来，航运业发展迅速，海上运输的日益繁忙使得在有限的航线上航行的船舶数量越来越多。拥挤的海上交通导致船舶碰撞事故时有发生。据统计，所有造成货物损失的事故类型中，由船舶碰撞事故引起的就占35%。船舶碰撞事故往往会造成船体结构破损、财产损失、人员伤亡、以及包括化学品在内的货物泄露所造成的海洋环境污染等严重的后果。因此，研究船舶碰撞问题对于安全性、经济性及保护环境来说都具有十分重要的意义。与此同时，通过开展船舶碰撞性能的分析还能够为在繁忙航线中运行的船舶的速度限定、操作规范等提供依据。 目前大部分学者采用数值仿真方法研究船舶碰撞问题时，往往仅建立撞击船艏和被撞船舷侧模型，研究碰撞过程中被撞船舷侧的损伤变形和能量吸收情况。然而，这样的分析方法没有考虑碰撞过程中船体与周围水域的耦合作用，忽略了水域流动对相撞船舶在运动及损伤过程中的影响，并不能全面地模拟实际碰撞场景。本文以159,000DWT油船货舱区域舷侧结构为研究对象，采用大型非线性有限元分析软件MSC.Dytran，基于全耦合分析技术建立了相撞船舶及水域的简化耦合模型，分析了被撞船体舷侧结构的碰撞性能，并讨论了撞击参数对被撞船舷侧结构碰撞性能的影响规律。主要研究内容及结论如下（1）归纳总结了船舶碰撞研究的国内外研究概况及趋势，确定了本文的主要研究内容；（2）详细介绍了船舶碰撞的全耦合分析方法，确定典型的碰撞场景，计算分析了被撞船体舷侧结构的碰撞性能，详细讨论了碰撞过程中的损伤变形、碰撞力及能量吸收情况。发现碰撞损伤的塑性变形范围主要局限于发生碰撞的区域，舷侧外板为碰撞过程中的主要吸能构件，构件吸收的能量绝大部分转化为变形能，很少一部分转化为被撞船的动能和内能及其他能量；（3）通过改变撞击船的初速度、撞击角度及撞击位置等撞击参数，并通过比较分析，系统讨论了三种撞击参数对被撞船舷侧结构碰撞性能的影响规律。研究发现，被撞船舷侧结构的损伤程度随着撞击船艏初始动能的增大、撞击角度的增大而增大。碰撞发生在弱肋位处比强肋位处更加危险。关键词船舶碰撞；舷侧结构；碰撞性能；全耦合分析技术；数值仿真。
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 船舶碰撞的研究内容及方法 3
1.3.1
 *景先生毕设|www.jxszl.com +Q: @351916072@ 
外部碰撞动力学 3
1.3.2 内部碰撞力学 4
1.4 本文主要研究内容 4
第二章 数值仿真基本理论与全耦合分析技术 6
2.1 引言 6
2.2 非线性有限元分析方法 6
2.2.1 隐式时间积分 6
2.2.1 显式时间积分 7
2.2.2 接触算法 7
2.2.3 摩擦算法 8
2.2.4 仿真中沙漏的控制 9
2.3 全耦合分析技术 10
2.3.1 流固耦合 10
2.3.2 两相撞船之间的接触算法定义 10
2.3.3 被撞船自身结构之间接触算法定义 11
2.3.4 附连水质量法 11
2.4 本章小结 11
第三章 碰撞场景与碰撞模型 12
3.1 引言 12
3.2 目标船的选取 12
3.3 碰撞场景 12
3.4 建立船舶碰撞数值仿真模型 13
3.4.1 模型简化 13
3.4.2 建模过程中的注意事项 14
3.5 本章小结 15
第四章 数值仿真结果分析 16
4.1 引言 16
4.2 碰撞区域结构的损伤变形 16
4.3 碰撞力 18
4.4 主要构件的能量变化 19
4.5 本章小结 20
第五章 撞击参数对碰撞性能的影响 21
5.1 引言 21
5.2 撞击位置 21
5.3 撞击船艏初速度 25
5.4 撞击角度的影响 27
5.5 本章小结 29
结论与展望 30
致谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着经济的发展，运输业也迎来了蓬勃发展的趋势，据统计，运输业80%的份额是由海上运输来完成的。根据联合国的网站报道数据，在2009年海上的贸易运输已经占有相当大的份额，总运输量为78.4亿吨。2010年初全球商业船只总吨位数为12.76亿，同比去年增加8400万吨；新交付的船只数量比2008年增长42%，尽管2008年的金融危机造成一段时间的航运业的低迷，但是从长远的发展角度来看，其发展前景毋庸置疑。航运业的发展所导致的海上船只的密集使得船与船之间的碰撞事故也变得越发频繁。因此，近些年人们一直探索能够减少碰撞事故发生频率以及碰撞事故发生以后减少碰撞事故带来的损失的方法。
船舶碰撞事故的发生，对于碰撞船的损失往往是巨大的[1]。尤其是对于装满危险货物的巨轮来说，可能会导致经济损失及人员伤亡，比如发生于1982年的“European Gateway”号与“Speedlink Vanguard”号客货滚装船的相撞事故，其结果损失惨重。又例如1994年的“Estonia”号滚装船的碰撞事故造成了800多人的伤亡。2009年9月18日，在马来西亚森美兰州波德森港附近的马六甲海峡航道发生了一艘油船与英国货轮的碰撞事故，25名乘客中有9名乘客失踪。图1.1为巴拿马籍“东方海”轮左右两个压载舱进水图片。
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图1.1被撞船的舷侧
除了发生生命、财产损失以外，海洋环境的污染也是船舶碰撞事故造成的另一严重的危害。1989年发生于美国阿拉斯加海岸的“Exxon Valdez”号油轮搁浅事故造成原油泄漏，其泄漏总重达到110000吨；1992年发生的一艘集装箱船与单壳油轮相撞，大约10000吨原油外泄并发生火灾；1996年在英国“Millford Haven”港口搁浅的147000吨“Sea Empress”油轮泄漏约65000吨原油；2010年五月在新加坡海峡的樟宜东附近发生了一起马来西亚籍油船和圣文森和格林纳丁斯籍货船的相撞事故，造成了附近水域的严重污染。
综上所述，研究船舶的碰撞性能，无论是从生命、财产还是保护环境方面都具有十分重要的意义。
1.2 国内外研究现状
船舶碰撞研究领域的开创，源于Minorsky于1959年发表的研究论文，其论文的发表是为了研制当时的一艘核动力船，防止该核动力船在航行的过程中由于受到碰撞损伤而遭到破坏产生核泄漏事故。在Minorsky发表的论文当中主要阐述了结构变形能和参与变形的结构损伤体积之间存在线性关系的观点，并且尝试将内部碰撞动力学和外部动力学区分开，将碰撞机理划分为内部机理和外部机理[2],在此之后，Haywood(1971)、Jones(1979)和Woision(1970)分别改进了Minorsky的方法，然而由于这些改进方案都不同程度上运用了简化的手段，所以在运用起来受到了很多限制。
船舶碰撞的研究在上个世纪六、七十年代时研究重点倾向于核动力船方面。发生于1989年的“Exxon Valdez”油轮在美国阿拉斯加海岸的油轮的搁浅事故造成了十分严重的灾难性后果，在这起事故发生以后，美国制定了防止石油污染的OPA90(oil pollution act 1990)法规，随着这一法规的制定，油船的结构设计引起了人们的重视，原有的油船结构设计规范被修改。许多学者开始转而研究船舶碰撞和搁浅[3]。上个世纪九十年代以后，超大型油轮(VLCC)成为人们研究的重点，很多学者针对油船的舷侧提出了耐撞性的优化结构[48]。
KITAMUR[4]等提出骨架板(Frame panel)和波纹板(Corrugated panel)两种耐撞结构形式；Lee等提出改善VLCC舷侧耐撞性能的两种新型的双壳结构[5]；顾永宁、王自力提出一种新式双壳舷侧结构CCT（Crushing Circular Tubes)[9]，利用薄壁圆管轴向受冲时的塑性力学特性作为吸能装置进行船舶耐撞性结构设计，同时还对LPG船的舷侧耐撞性结构进行了研究[1011],提出新型LPG船的舷侧部分的耐撞结构，并在径向基神经网络、试验设计和遗传算法的基础上提出了一种提高舷侧结构抗撞击性能的优化方法。王自力、姜金辉提出两种单壳舷侧耐撞结构[12]:FCT和IFP。FCT结构是指将舷侧的肋骨结构改造成为薄壁方管结构，并且在薄壁方管结构中添加泡沫塑料，从而改变薄壁方管结构的损伤变形，扩大舷侧结构的损伤范围，提高吸能能力；IFP是经过改进的骨架板结构，是一种具有良好的吸能特性和结构强度的构件。王自力、张延昌[13]在前人的基础上提出两种舷侧的夹层结构：蜂窝式夹层板和折叠式夹层板，并且通过数值仿真技术分析比较了这两种夹层板结构和普通结构在受力、能量吸收和损伤变形方面的不同以确定是否达到预期的效果。

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