船舶擱淺論文

1、浙江海洋學院航 海 類 專 業(yè) 專 題 論 文題 目： 不同礁石形狀對雙殼油船擱淺仿真的影響 學 院： 海運與港航建筑工程學院 學生姓名： 李蘇魯 專 業(yè)： 輪機工程 班 級： A11輪機1班 指導老師： 吳文鋒 起止日期： 2015年1月17日-2015年5月23日 2015年5月23日中 文 摘 要摘 要雙殼油船擱淺性能研究是船底結構設計的重要環(huán)節(jié)。雙殼油船發(fā)生擱淺時材料和結構會發(fā)生大的位移和形變，雙殼油船擱淺具有多重非線性特征。且在擱淺過程中存在多種不確定因素，因此若要通過建立一個精確的數(shù)學模型使問題得到完全解析是不可能的。經(jīng)過多年的發(fā)展和實踐研究，非線性有限元數(shù)值仿真計算已日益成為船舶

2、擱淺分析的主要方法。本文在已有的研究成果上應用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對雙殼油船擱淺在不同形狀礁石上進行數(shù)值計算，得到雙層底結構的損傷變形模式、擱淺力和能量吸收結果，分析比較這些結果來得到一些重要結論，為日后船體結構設計提供一定的參考數(shù)據(jù)。 關鍵詞：擱淺；非線性有限元仿真；礁石種類英 文 摘 要ABSTRACTThe study of ship ran around performance is an importance part of the hull structure design.Great shift and deformation of hull struetu

3、re will happen during the dynamic Process of ship stranding and colliding，so ship stranding takes on multi-non-linear feature.Given multiPle uncertaillties involved intotlle stranding Proeess，it is impossible to build a Preeise mathematieal module to figure out a thorough solution based on complete

4、analysis.After years of Praetieal researeh，non-linear FEA(Finite ElementAnalysis) simulation has beeome by far the most effeetive research method of ship stranding.Based on the exciting research results on the application of nonlinear finite element software ANSYS/LS-DYNA for double hull oil tanker

5、ran aground on the rocks in different shapets of numerical calculation,get the double bottom structure pattern of damage deformation, grounding force to obtain some importang conclusion,provide certain reference data for hull structure design in the future.Key Words：Ship grounding; Non-linear FEA An

6、alysis; The rock types目 錄目 錄第1章 緒論11.1 選題背景11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 本文工作內(nèi)容3第2章 船舶擱淺的基本理論52.1 擱淺運動方程及求解方法52.2 擱淺經(jīng)驗公式6第3章 船舶擱淺有限元模型的建立73.1 問題描述73.2 模型建立73.3 模型簡化83.4 材料模型選用83.5 單元類型83.6 建立有限元模型9第4章 數(shù)值仿真計算結果及分析104.1 能量吸收數(shù)值結果分析104.2 擱淺力模擬數(shù)值結果分析104.3 船底結構損傷形變114.3.1 擱淺于臺形礁石114.3.2 擱淺于球形礁石134.3.3 擱淺于錐形礁石15結 論18參

7、考 文 獻19致 謝21第1章 緒論1.1 選題背景隨著海運事業(yè)以及造船技術的迅速發(fā)展，船舶數(shù)量迅速增長，船舶擱淺風險也顯著提高1。1967年，TORRYCANYON號油輪在英吉利海峽發(fā)生觸礁擱淺，十萬多噸原油全部傾腹大海，使法國北部海岸污染嚴重，引起當時全世界的關注；1978年AmocoCadiz油輪在法國附近觸礁引發(fā)船體斷裂，溢出22萬噸原油，使法國海岸250公里遭受污染，直接造成三億美元損失；1989年ExxonValdez號油輪在威廉王子灣擱淺，泄漏三萬七千噸原油，污染近7000km2海域，這起歷史上最嚴重的海洋污染事故使當?shù)卦獾絿乐匚廴?，導致當?shù)氐孽r魚和鮮魚資源近于滅絕，損失相關費用

8、高達50億美元；1997年，俄羅斯Nakhodka號油船裝載19000噸燃料油在日本海域遇到風暴折斷成兩半；2000年，GreenAlesund號在Haugesund附近擱淺沉沒使得海洋環(huán)境在遭重挫。由此可見，雙殼油船發(fā)生擱淺事故，不僅讓船東和貨主蒙受巨大損失，而且將會導致大面積海域污染?？梢钥闯觯瑸榉乐勾皵R淺事故的發(fā)生，雖然IMO對SOLAS公約和STCW公約進行了一系列修正和改革并實施ISM規(guī)則和PSC檢查，但每年擱淺事故還會持續(xù)不斷的出現(xiàn)，重大的擱淺事故發(fā)生還會發(fā)生，并造成重大損失，而且船舶發(fā)生觸礁擱淺事故呈上升的趨勢。無論是從造成損失的嚴重性、發(fā)生的頻率等角度來說，都應該獲得人們的關

9、注和研究。本文將在前人的基礎上研究錐形、臺形、球形礁石形狀對雙殼油船擱淺的影響，獲得不同類型礁石對雙殼油船擱淺影響的一般性規(guī)律。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀船舶的擱淺問題需要對多方面問題進行分析，而且擱淺本身又是一種強非線性現(xiàn)象，因而研究難度較大。國內(nèi)外對其研究雖然不多，但每年都有所增加，表明研究者們對船舶擱淺十分關注，因為每次災難發(fā)生都會引起強烈反映，要求積極采取措施，防止類似事件再次發(fā)生。Wierzbicki(1995)2研究鈍形物切割金屬板時提出了金屬板的形變模式和簡化的理論方法，得到求解板的抵抗力和折疊波長的閉合解，隨后Ohisub與Wang3給出切割板的上限解。Kitamura4對大比例模

10、型擱淺試驗進行了數(shù)值仿真模擬，采用Motora等人提出的船舶附加質(zhì)量和波浪阻尼的計算方法，油船在擱淺過程中的主要運動分量為縱搖、垂蕩和縱蕩，Kuroiwa5提出了基于切片法的船舶擱淺有限元模型，并且對發(fā)生于1975年的單殼油輪擱淺事故進行數(shù)值模擬，該油輪以12節(jié)的速度擱淺，造成底部180米長的破裂，數(shù)值模擬損傷形式與觀察的損傷吻合得較好，破裂長度為192米。Paik和wierzbieki6將九種現(xiàn)有的板撕裂的解析或經(jīng)驗公式與試驗進行了對比，simonsen和wierzbieki7研究了準靜態(tài)下韌性金屬板被有限寬度楔形物切割的問題，代表了船舶底部被礁石撕裂的碰撞場景，他們提出的公式?jīng)]有考慮動態(tài)特

11、性，如果要應用到實際尺度的切割問題或者船舶擱淺問題時，現(xiàn)有的分析模型至少需要考慮應變率效應。Simonsen8-9提出一系列圓錐形礁石撕裂船底板的接觸力解析表達式，并給出了各個構件抵抗力的閉式表達式，包括內(nèi)外底板、縱骨、縱析、縱艙壁以及肋骨板和橫艙壁，他考慮了塑性大形變以及摩擦斷裂的影響，并假定構件交叉點在整個形變階段保持完整，并且通過實例計算驗證了建立的模型的有效性。Card10首次進行了擱淺事故的統(tǒng)計工作。Minorsky的經(jīng)驗公式被Vanghan11運用至船舶擱淺領域，他假設體積能量與表面能量分別為船舶擱淺吸能的兩部分，并通過試驗得出能量比例系數(shù)。然而他在試驗過程中忽略了很多因素，因此得

12、到的經(jīng)驗公式和Minorsky的相差不大。Vanghan提出從實驗研究來估算厚度為1.9mm船底鋼板在擱淺過程中撕裂所需要能量，并且通過對實驗數(shù)據(jù)的分析得出用來估算LNG船擱淺損傷的經(jīng)驗公式。Jolles12在Vanghan的基礎上進一步研究厚度為6.1mm的船底鋼板在船舶擱淺形變過程中造成的能量損失，并且通過對實驗數(shù)據(jù)的分析再一次得到了計算擱淺所需能量的經(jīng)驗公式。Kavlie與Amdahl13對1/5縮尺的雙層船底結構進行了垂直擱淺實驗與數(shù)值模擬。Simonsen在考慮摩擦、大塑性形變及斷裂之后提出了一組用來計算圓形礁石船底響應及形變的表達式14，為了驗證其理論的正確性，后來在美國海軍水面作

13、戰(zhàn)中心進行了四次大尺度的試驗15。Zhang和Perdersen16分析了大量船舶擱淺和碰撞事故損失的數(shù)據(jù)，評估了船舶材料與尺寸等結構設計對擱淺與碰撞的影響，結果說明擱淺與碰撞的相對損傷長度受到船舶尺寸的影響。Zhu等17在Lloye的統(tǒng)計調(diào)查報告與損傷數(shù)據(jù)基礎上，將半經(jīng)驗公式與應用理論模型相結合，評估了船舶擱淺的損傷范圍，得到滾裝船發(fā)生擱淺事故后損傷長度的分布情況，同時提出船底與圓錐形礁石發(fā)生擱淺撕裂情形下結構抵抗力的評估方法。高震18將船舶擱淺非線性有限元仿真計算分析的結果與兩次船舶擱淺實地試驗的結果進行比較，證明了非線性有限元顯式積分法適用于船舶擱淺問題的研究。日本ASIS協(xié)會在國際船舶

14、結構大會報告19中報告了他們于1993年進行的大量船舶擱淺試驗。2004年至2006年，王自力與劉峰20-23做了基于Simonsen假設的船舶高能擱淺外部動力學的數(shù)值仿真，并提出對應的簡化計算公式，同時分析船舶雙層底在高能擱淺情況下的損傷特性，提出Y-Floor新型抗擱淺結構。王自力和李江濤24做了關于船舶擱淺于剛性斜坡上的數(shù)值仿真研究。陳志堅25計算了小水線面雙體船的擱淺強度。Samuelides等26對圓錐型礁石撕裂雙殼船底的現(xiàn)象進行模擬研究，分析了邊界條件和網(wǎng)格大小等因素對接觸力造成的影響，證明縱桁的褶皺形變現(xiàn)象在細網(wǎng)格下更加明顯。Simonsen等27利用非線性有限元數(shù)值仿真分析結果

15、和全尺度模型試驗的結果數(shù)據(jù)，提出一個新的半經(jīng)驗公式，可以利用該公式預測船舶擱淺損傷，并利用該損傷數(shù)據(jù)來定義沖擊速度、損傷范圍的高度和寬度和擱淺位置等不同的沖擊場景。1.3 本文工作內(nèi)容雙殼油船擱淺的過程中，由于船體的材料和結構會發(fā)生較大的位移和形變，故雙殼油船擱淺是一個強非線性問題，因此想要獲得一個精確的解析解幾乎是不可能的，本文將在前人研究的基礎通過ANSYS軟件建立雙殼油船擱淺的有限元模型，并將礁石分為錐形、球形、臺形三類，通過數(shù)值模擬計算，獲得不同類型礁石對雙殼油船擱淺影響的一般性規(guī)律。本文具體的工作內(nèi)容如下：（1）簡述雙殼油船擱淺研究有重要的實際意義并對船舶擱淺領域的研究現(xiàn)狀做簡要介紹

16、；（2）闡述船舶擱淺的基本理論；（3）應用ANSYS建立雙殼油船擱淺的簡化模型；（4）采用非線性有限元分析方法對雙殼油船擱淺于不同形狀礁石下做求解運算，并對模擬得出的數(shù)據(jù)進行比較從而得出一般性結論；（5）總結全文。第2章 船舶擱淺的基本理論2.1 擱淺運動方程及求解方法本文在分析時采用適用于求解瞬時動態(tài)變化問題的有限元求解方法25顯示積分法對常微分方程組進行求解，得到擱淺船舶的運動方程： (2.1)式中，M是質(zhì)量矩陣；C是阻尼矩陣；K是剛度矩陣；a是加速度矢量；v是速度矢量；k 是位移矢量；Fes是外力矢量。將方程(2.1)進行顯式動力分析，分析過程如下： (2.2)在基于中心差分法進行的AN

17、SYS/LS-DYNA顯示動力分析過程中是無需進行矩陣分解或求逆的。由于顯示積分的精確度與時間步長息息相關，因此確定好積分的時間步長對于用顯示積分算法求解船舶擱淺問題時尤為重要，應保證時間步長不能大于某一臨界時間步長。臨界時間步長為模型單元特征長度與材料聲速的比值，具體表達式如下： (2.3) (2.4)式中，Le代表模型單元特征長度；c代表材料聲速；E代表彈性模量；代表材料密度；代表泊松比。船舶擱淺問題中，影響時間步長最主要的因素是單元的尺寸，因為船舶結構的材料大都是相同的，因此控制單元尺寸、簡化有限元模型對于提高計算效率影響甚大。對于單元尺寸的定義和有限元模型的簡化將在下文提到。2.2 擱

18、淺經(jīng)驗公式早在1950年，Minorskv26就率先提出了用于船舶擱淺的經(jīng)驗公式，并得到了廣泛的應用。不過該公式并沒有反應材料屬性、損傷模式和結構布置等的差別，只是建立了能量吸收與材料損傷體積之間簡單的線性關系。直到1999年，zhang27在Minorskv的基礎上提出了用于船舶擱淺分析的簡便方法。其實，船舶結構的變形模式經(jīng)常是由多種復雜的變形模式組合在一起的，以下主要介紹三種基本變形模式的能量吸收表達式。(1) 壓潰或褶皺變形模式 (2.5) (2.6)式中t代表壓潰板的平均厚度，d代表壓潰截面的平均寬度，代表材料的損失體積。和分別代表損傷長度和寬度，而代表等效板厚。(2) 拉伸變形模式

19、(2.7) (2.8)式中，代表材料的流動應力，代表臨界斷裂應變，代表材料延性，代表材料的損失體積。(3) 撕裂變形模式 (2.9)式中t代表板的等效厚度，包括撕裂方向的加強筋與桁材，l代表臨界撕裂長度，一般取損傷寬度或楔形物長度的2倍。式(2.5)和式(2.7)的加和一般用來求解估算船舶舷側碰撞的變形能。而式(2.9)用來求解估算船舶擱淺時的擱淺變形能。第3章 船舶擱淺有限元模型的建立3.1 問題描述本文選擇擱淺的船舶為一艘5萬噸級雙殼油船，雙層底之間的高度約為1.5m，考慮到擱淺損傷的局部特性并節(jié)約計算成本，所以模型中的擱淺艙選取了 部分艙段，假定該船以5m/s的初始航行速度分別擱淺在3種

20、不同類型的礁石上，且假定擱淺位置不變，并定義摩擦系數(shù)為0.15。3.2 模型建立建立船體幾何模型不僅是有限元分析的基礎，還占據(jù)整個有限元分析過程中大部分的時間，因此選擇恰當?shù)膸缀文Ｐ徒⒎椒ㄓ葹橹匾?。本文采用了自底向上的建模方法，遵循關鍵點、線、面、體的順序進行建模。首先定義關鍵點，然后利用相鄰的關鍵點逐級向上定義線、面、體等高級圖元。下圖分別是建成后的雙層底和臺形礁石、球形礁石、錐形礁石的幾何模型。圖3.1 雙層底幾何模型Fig. 3.1 Double bottom structure geometry model 圖3.2 臺形礁石幾何模型 圖3.3 球形礁石幾何模型 圖3.4 錐形礁石幾

21、何模型Fig. 3.2 The geometric model Fig. 3.3 The geometric model Fig. 3.4 The geometric of table structure of ball structure model of reef structure3.3 模型簡化1由于內(nèi)部機理主要研究結構的損傷形變和受力，而船舶擱淺的局部損傷特性非常明顯，在與礁石相接觸的船體結構會發(fā)生顯著的大形變，包括撕裂、屈曲、凹陷等多種損傷模式，而非接觸區(qū)域的形變非常小，因此，進行內(nèi)部機理仿真中沒有必要建立整船的有限元模型，而是建立與礁石相接觸的區(qū)域以及周圍部分區(qū)域的局部仿真模型，

22、若采用局部模型以一定的初速度沖擊礁石，重量重心參量可以調(diào)節(jié)與實船相同，但由于局部模型的轉(zhuǎn)動慣量遠遠小于實船的轉(zhuǎn)動慣量，必然導致結構的損傷形變和運動軌跡與實際情況相差巨大，因此，本文中采用礁石以一定初速度沖擊船體結構，并將礁石結構簡化成錐形、球形、臺形的剛體。2在船舶擱淺過程中，由于尺寸相對較小構件的能量吸收能力很小，對擱淺響應分析影響不大，并且網(wǎng)格劃分時容易出現(xiàn)極小單元而導致計算量太大減慢甚至終止，因此將上述構件進行合理的等效處理，雙殼油船擱淺的內(nèi)部機理著重研究與礁石接觸的船體局部結構的損傷形變、受力和能量耗散。3.4 材料模型選用船舶擱淺問題是沖擊載荷作用下的一種典型的非線性分析，具有極其明

23、顯的動力特性，與礁石相接觸的船舶結構會發(fā)生非常明顯的塑性大形變，因此對于船體則采用最為常用的塑性動態(tài)模型（Plastic kinematics model）,并考慮應變硬化，預先假設一個最大的塑性無效應變，且所計算的單元達到最大塑性失效應變，則單元失效，所對應的構件破壞，不在承受任何外在負荷。船舶結構材料為低碳鋼，其材料模型采用應變敏感性的Couper-symonds本構方程，最大失效應變?yōu)?.15。礁石的剛度一般遠大于擱淺船底的結構，為此對礁石采用剛性材料。3.5 單元類型船體本文采用SHELL 163單元，對于礁石本文則采用Solid 163單元，在殼單元算法中，SHELL 163單元在A

24、NSYS/LS-DYNA中提供了12種算法供各種研究。由于在船舶擱淺模擬過程中，薄殼會發(fā)生彎曲和大形變，因此本文采用了具有容忍彎曲能力且可以使用絕大多數(shù)材料模型的算法，即The Belytschko-Wong-Chiang算法進行計算。3.6 建立有限元模型在確定幾何模型、單元類型和材料類型后，要對船舶和礁石的模型進行網(wǎng)格劃分。有限元網(wǎng)格的精細程度、形狀和質(zhì)量直接影響到計算結果的準確性和計算的時長。為提高計算精度與分析效率，必須劃分前對網(wǎng)格的精細程度、形狀和質(zhì)量進行規(guī)劃。一般情況下，網(wǎng)格過細，雖然計算結果比較準確，但是要花費很多的時間來計算。網(wǎng)格過粗，雖然計算時間比較少，但是計算結果不精確。本

25、文中，由于船舶底部結構會發(fā)生顯著的塑性形變，因此采用的網(wǎng)格較精細，而其他結構的形變不大，因此采用的網(wǎng)格較粗。除此之外，由于礁石被定義為不可形變的剛體模型，而且不是本文的研究重點，因此采用的網(wǎng)格也較粗。網(wǎng)格的形狀和質(zhì)量對計算結果的影響也很大，少使用三角形單元，多使用具有一定邊長比的規(guī)則四邊形單元。若迫不得已要用到三角形單元的話，則盡量采用等邊三角形單元，以避免過小邊長而出現(xiàn)畸形形變的情況。由于擱淺有限元模型之間的差別僅為礁石形狀，為此本文給出船舶擱淺在臺形礁石的情景下，有限元模型如圖3.5所示：圖3.5 船舶擱淺在臺形礁石下有限元模型Fig.3.5 The platform element mo

26、del of the ship aground第4章 數(shù)值仿真計算結果及分析4.1 能量吸收數(shù)值結果分析圖4.1是船舶擱淺于三種不同礁石形狀下雙層底結構能量吸收隨時間變化的曲線圖。由圖可知船舶擱淺于臺形礁石情形下船底結構吸收的能量明顯大于擱淺于其他兩種礁石的情形，這是因為船舶在臺型礁石處發(fā)生擱淺時，該處的縱桁、縱骨、內(nèi)外底板及肋骨均發(fā)生了形變，相比擱淺于球形與錐形礁石下多了縱桁這一形變構件，故擱淺于臺形礁石下船舶雙層底結構吸收的能量較擱淺于其他兩種礁石情況下吸收的能量要多。由此可見船舶擱淺在臺型過程吸收了的能量最多，使船體形變最為嚴重。圖4.1 能量-時間曲線Fig.41 Energe Den

27、sity curves4.2擱淺力模擬數(shù)值結果分析擱淺力指的是擱淺船舶在運動過程中不同礁石和船底之間的相互作用力。上文提到雙層底結構擱淺的損傷形變區(qū)域為狹長的縱向接觸區(qū)域，由此可知擱淺路徑主要為縱向方向，因此選取Z向的擱淺力進行研究更有參考價值。圖4.2是擱淺在不同的礁石形狀下力隨時間變化的曲線圖。由圖可知，在剛開始階段臺形礁石的擱淺力總體大于其他兩種礁石的擱淺力。這是因為擱淺后臺型礁石主要與外底板、縱桁、縱骨及肋骨發(fā)生接觸，而錐形礁石與球形礁石主要是在外底板、縱骨及肋骨中發(fā)生擱淺，少了縱桁的支持，故臺型礁石的擱淺力比其他兩種礁石擱淺力大。三種礁石擱淺情形下的擱淺力曲線具有相似的變化規(guī)律：擱淺

28、力曲線出現(xiàn)一些峰值，這是因為礁石作用于船體構件時，構件的擱淺力逐漸增大，直至出現(xiàn)峰值，而當構件某部分出現(xiàn)破壞或失效后峰值便會出現(xiàn)卸載。圖4.2 擱淺力-時間曲線Fig.4.2 Force curves4.3 船底結構損傷形變本文主要研究了雙殼油船擱淺于三種礁石情形下船底的結構損傷形變。這兩三種擱淺情形雖然礁石形狀不同，但是各構件的損傷形變模式大多相同，不同之處在于損傷的范圍和程度。因此本文從船底的主要組成構件：縱骨、縱桁、肋骨、外板、內(nèi)板的形變情況來分析船底結構的損傷形變模式。4.3.1 擱淺于臺形礁石通過后處理程序LS-Prepost分析得出的結果，船體底部發(fā)生凹陷形變的時間為碰撞初期到第0

29、.6秒，圖4.3至圖4.6為擱淺在臺形礁石下船體結構分別在第0.12秒，0.24秒，0.36秒和第0.6秒的雙層底結構的損傷形變圖。圖4.3 t=0.12s 船體形變圖Fig.4.3 t=0.12s Hull transformation diagram由上圖可以看出，在碰撞剛開始時，船體外板已發(fā)生明顯凹陷，底部的強構件應力相對較大，尤其是強肋板和毗部肘板。圖4.4 t=0.24s 船體形變圖Fig.4.4 t=0.24s Hull transformation diagram船底外板的凹陷劇烈增加，更多的內(nèi)部構件受到的應力增加并發(fā)生較大形變吸收擱淺碰撞的初動能，尤其是強肋板應變和應力最大，內(nèi)

30、底板與底部構件相互作用也向船體內(nèi)部凹陷。圖4.5 t=0.36s 船體形變圖Fig.4.5 t=0.36s Hull transformation diagram圖4.6 t=0.6s 船體形變圖Fig.4.6 t=0.6s Hull transformation diagram隨著船體結構的形變吸收能量，擱淺碰撞的初始動能逐漸減小，船舶逐漸向上，船體上升，脫離擱淺路徑，所以從0.36s到0.60s船體凹陷形變增加較小，擱淺碰撞導致的船體損傷接近尾聲。能夠較清晰地看出船舶的底部結構發(fā)生了較嚴重的形變，其他部分如舷側艙壁形變較小，發(fā)生這種特征形變的原因在于擱淺時船舶底部受到的沖擊能量很大，在一瞬

31、間形成相當大的沖擊力。船舶的底部結構在這樣的沖擊力的作用下，擱淺碰撞部位的應力超過材料的極限應力發(fā)生塑性形變，同時吸收到較多能量，導致船體的動能降低，這就使得船體其他結構因擱淺而受到的應力較小，還在彈性范圍之內(nèi)，沒有導致大形變。除了船體的外底板發(fā)生較大形變之外，船體的內(nèi)底板和船體底部的板架構件發(fā)生復雜的相互作用也都發(fā)生了形變。4.3.2 擱淺于球形礁石 同樣，分析雙殼油船擱淺于球形礁石情況下，也選出了其中4個有代表性的擱淺時間對擱淺部位船底結構損傷形變進行分析，下圖是在不同時間的船底結構損傷形變圖。圖4.7 t=0.12s時損傷形變圖Fig.4.7 t=0.12s Hull transform

32、ation diagram在碰撞剛開始外板已發(fā)生明顯凹陷形變，船底部的強構件應力較大，尤其是外板和縱桁。圖4.8 t=0.24s時損傷形變圖Fig.4.8 t=0.24s Hull transformation diagram可看出，船底外板形變劇烈增加，內(nèi)底板與底部構件相互作用也向船體內(nèi)部凹陷。圖4.9 t=0.36s時損傷形變圖Fig.4.9 t=0.36s Hull transformation diagram圖4.10 t=0.60s時損傷形變圖Fig.4.10 t=0.60s Hull transformation diagram隨著船體結構的形變吸收能量，擱淺初始動能逐漸減小，船體

33、上升，脫離擱淺路徑，與擱淺臺形礁石形狀類似，擱淺碰撞導致船體損傷接近尾聲，除了船體的外底板發(fā)生較大形變之外，船體的內(nèi)底板和船體底部的板架構件發(fā)生復雜的相互作用，也都發(fā)生了形變。4.3.3 擱淺于錐形礁石在船舶擱淺在錐形礁石情況下，本文在分析結果中選出了其中4個有代表性的擱淺時間對擱淺部位船底結構損傷形變進行分析，下圖是在不同時間的船底結構損傷形變圖。圖4.11 t=0.12s船體形變圖Fig.4.11 t=0.12s Hull transformation diagram在0.12s時，船體剛剛與礁石接觸，還沒有發(fā)生撕裂或者形變，但船底結構與錐形礁石尖頂接觸的單元受到相當大的應力，即將失效。圖

34、4.12=0.24s船體形變圖Fig.4.12 t=0.24s Hull transformation diagram在0.24s時，船體外板在與錐形礁石尖頂接觸的單元失效，發(fā)生穿透。圖4.13 t=0.36s船體形變圖fig.4.13 t=0.36s Hull transformation diagram在0.36s時，錐形礁石與路徑上的肋板發(fā)生激烈碰撞，引起整個底部結構復雜的應力響應，此時船體內(nèi)底板單元即將發(fā)生失效，造成撕裂。由圖可以看出，船體與錐形礁石擱淺碰撞時，船體的內(nèi)外底板的損壞以撕裂為主，伴隨著一定的彎曲凹陷形變，這是由于礁石逐漸嵌入船體造成的。底部結構中較小的縱骨主要隨著內(nèi)外底板

35、的形變而發(fā)生彎曲和破裂，在與礁石接觸的位置發(fā)生失效。強肋板在與礁石碰撞時具有了較大的應力和應變，引起整個底部結構的應力變化，發(fā)生復雜的相互作用。圖4.14 t=0.84s損傷形變圖Fig.4.14 t=0.84s Hull transformation diagram船體底部結構的形變進一步發(fā)展，與錐形礁石接觸的大部分強肋板即將破裂失效，在橫骨架被破壞之后，船體的內(nèi)外底板受到較大破壞，錐形礁石肩部嵌入船體，擱淺損傷將進一步擴大。由可以看出，船體與尖頂礁石擱淺碰撞時，船體的內(nèi)外底板的損壞以撕裂為主，伴隨著一定的彎曲凹陷形變，這是由于礁石逐漸嵌入船體造成的。底部結構中較小的縱骨主要隨著內(nèi)外底板的形

36、變而發(fā)生彎曲和破裂，在與礁石接觸的位置發(fā)生失效。強肋板在與錐形礁石碰撞時具有了較大的應力，引起整個底部結構的損傷形變，發(fā)生復雜的相互作用。結 論本文在前人研究工作的基礎上，建立了船舶擱淺系統(tǒng)的有限元模型，在滿足精度與實驗一致性的條件下，用較小規(guī)模的有限元模型和較少的機時對擱淺在三種不同礁石情況下的硬擱淺進行了有限元模擬，分析了模擬過程中的船體應力、應變和能量變化情況，得出了一些結論。本文具體得到了結論如下:1.本文分析整理了國內(nèi)外對船舶擱淺碰撞研究的經(jīng)驗方法、解析方法、試驗方法和有限元方法，總結這些方法的利弊和今后的發(fā)展趨勢，并在這些研究成果的基礎之上開始進行建立船舶硬擱淺的有限元模擬。2.對

37、船舶硬擱淺的外部動力學的解析方法進行了討論，提出船舶硬擱淺外部動力學簡化模型，為有限元分析中模型的簡化和各種條件的確定打下基礎。3.由于船舶的硬擱淺會導致材料、結構產(chǎn)生較大的形變和位移，還是一個動態(tài)的碰撞過程，具有了材料、幾何、接觸多種非線性特征，所以本文就非線性有限元的算法進行了研究討論。4.對雙殼油船擱淺在錐形、臺形、球形礁石下的三種不同工況進行了有限元模擬，運用ANSYS/LS-Prepost后處理程序?qū)δM的結果進行觀看，得到了一系列的應力結果圖和時間歷程曲線，根據(jù)這些結果，對硬擱淺時船體結構的形變、應力、能量變化特征進行分析。參 考 文 獻1 AMDAHL J. KAVLIE D.

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