（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船舶舷侧结构碰撞性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 船舶碰撞往往会造成结构破损、货物泄漏、环境污染、人员伤亡等灾难性的后果。 所以，无论是从安全上、经济上、还是从环境保护上来看，提高船舶抗撞性能都具有重 要的意义。研究船舶力学和碰撞强度问题，不仅有利于海上生命安全，防止海洋污染， 而且也可为规定航运繁忙区域中的船舶航速、操作规程以及解决海事纠纷提供依据。 船舶碰撞是在巨大冲击载荷作用下的一种复杂的非线性瞬态响应过程，它具有非常 明显的动力特性，而且碰撞区构件一般都要迅速超越弹性阶段而进入塑性流动状态，并 可能出现撕裂、屈曲等各种形式的破坏和失效。而且，在船舶碰撞过程中，还要受到很 多因素的影响，比如，碰撞时的环境条件：风、浪、流影响；两船相撞时的相对位置和 速度；碰撞部位。因此，船体碰撞力学分析研究是十分复杂的。 从1 9 5 9 年m i n o r s k y 在船舶碰撞领域做出开创性工作以来，到现在已经发展出多种 研究方法用于船舶碰撞分析，包括经验方法、简化的解析方法、试验方法和有限元仿真 方法等。其中，非线性有限元数值仿真方法是目前最为有效的方法之一，该方法在船舶 碰撞事故的力学分析中正得到日益广泛的应用。 本论文就是利用有限元仿真方法建立了两船发生对中碰撞情况的有限元模型，模型 中考虑了材料非线性、几何非线性等因素。在此基础上，对被撞船舷侧结构碰撞性能进 行了研究，得到了被撞船舷侧各部分构件的损伤时序变形图，能量碰撞船位移以及碰 撞力碰撞船位移关系曲线；讨论了不同的碰撞船质量、初速度以及碰撞位置对被撞船 舷侧结构碰撞性能的影响，取得了舷侧结构碰撞性能的一般性结论；以非线性有限元程 序的计算结果为基础，用抗撞性能指标( c p d ) 对实船舷侧进行了抗撞性能评估。 关键词：船舶碰撞：数值仿真；非线性有限元；船舶碰撞动力学：c r 建亮：黝舷搦结擒碰撞瞧黢臻究 r e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i c so fs h i ps i d es t r u c t u r ei nc o l l i s i o n a b s t r a c t s h i pc o l l i s i o nc a l la l w a y sm a k e s o m ed i s a s t e r s ，i n c l u d i n gs t r u c t u r ed a m a g e ，e n v i r o n m e n t p o l l u t i o na n dc a s u a l t i e s t h e r e f o r e ，t oi m p r o v et h er e s i s t i b i l i t yo fs h i pi so fg r e a ti m p o r t a n c e ， n om a t t e rw h a tc o n s i d e rs a f e t y , e c o n o m ya n dp r o t e c t i n ge n v i m n m e n t t os t u d yt h em e c h a n i c s o fs h i pa n ds t r e n g t ho fc o l l i s i o nn o to n l yb e n e f i tt h el i f es a f e t yo nt h es e aa n dp r e v e n to c e a n p o l l u t i o n ，b u ta l s oo f f e rr e f e r e n c e so fs h i pv e l o c i t y ，m a n i p u l a t i o nr e g u l a t i o n s ，m a r i t i m ea f f a i r s f o rs h i p p i n gb u s yr e g i o n s s h i pc o l l i s i o ni sac o m p l i c a t e dn o n l i n e a ri n s t a n t a n e o u sp r o c e s su n d e rh u g ei m p a c tl o a d ， w h i c hh a sam a r k e dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c f u r t h e r m o r e t l l es t r u c t u r eo fc o l l i d e da r e aw i l l e x c e e de l a s t i cp h a s er a p i d l y ，t h e nt u r ni n t ot h ep l a s t i cf l o ws t a t u s ，m e a n w h i l e ，d a m a g ea n d f a i l u r es u c ha sf r a c t u r ea n db u c k l i n gc o u l dh a p p e n a n dd u r i n gt h es h i pc o l l i s i o n ，m a n y f a c t o r sc a na f f e c tc o l l i s i o nr e s u l ts u c ha st h ew i n d ，w a v ea n df l o wi m p a c t , t h er e l a t i v ep o s i t i o n a n dv e l o c i t ya n dt h el o c a t i o no ft h ec o l l i d e ds h i p t h e r e f o r e ，t h em e c h a n i c a la n a l y s i so fs h i p c o l l i s i o ni se x t r e m ec o m p l e x ， m a n yr e s e a r c ht o o l sa n dm e t h o d sf o rs h i pc o l l i s i o na n a l y s i sh a v eb e e nd e v e l o p e ds i n c e m i n o r s k y si n a u g u r a t i n gs t u d yi nt i f f sf i e t d , i n c l u d i n ge m p i 6 c a lm e t h o d ，s i m p l i f i e da n a l y t i c a l m e 也o d ，e x p e r i m e n t a lm e t h o d ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，a n ds o0 1 2 a tp r e s e n t ，n o n l i n e a r f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni so n eo ft h em o s te f f e c t i v em e t h o d sa m o n gt h e m n o w t h i sm e t h o dh a sb e e n u s e di ne n g i n e e rw o r ke x t e n s i v e l y i nt h i sp a p e rt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs i d ec o l l i s i o no fs h i pw a sb u i l tt os t u d yt h es i d e s t r u c t u r e sc o l l i s i o nc h a r a c t e r i s t i c s b yt h er e s e a r c ho fc o l l i s i o ns i m u l a t i o n s ，w eo b t a i nt h e p i c t u r e sa b o u td a m a g ed i s t o r t i o nd e p e n d e dt i m ea n dt h ec u r v eo fr e l a t i v eb e t w e e ne n e r g ya n d d i s t o r t i o n , c r a s h w o r t h i n e s sa n d 出s t o r t i o n ， t h ep a p e rd i s c u s s e st h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tq u a l i t y ；m u z z l ev e l o c i 移a n dc o l l i s i o n p o s i t i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs h i ps i d es t r u c t u r ei nc o l l i s i o n ，a n dt h e ng e tt h eg e n e r a l c o n c l u s i o no ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fs h i ps i d es t r u c t u r ei nc o l l i s i o n f i n a l l y ，o nt h eb a s i so f n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tc o d ec a l c u l a t i o n ，t h ep a p e re v a h i a t a st h er e s i s t i b i l i t yi nc o l l i s i o no f s h i ps l i d eb y c r i k e yw o r d s ：s h i pc o l l i s i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；n o n l i n e a re l e m e n h c r i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢i i i i 方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：豳盘日期： 伊l = i z 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：豳! 塾 导师签名：二堡圣堡 大连理工大学硕士学位论文 引言 如今，海上航线日趋密集，密集的航线增加了船与船，船与海上建筑发生碰撞事故 的可能性。另外，高速船在这样密集的航线航行，发生事故的可能性也会增加。船舶碰 撞往往会造成结构破损、货物泄漏、环境污染、人员伤亡等灾难性的后果，所以，无论 是从安全上、经济上，还是从环境保护上来看，研究并提高船舶的抗碰撞性能都具有重 要的意义。 在船舶碰撞时，由于船舶具有巨大的质量和动能，碰撞区的结构一般都迅速超越了 弹性变形而进入塑性阶段，并可能产生撕裂，只有当船舶碰撞动能被结构变形和周围介 质运动吸收后，碰撞过程才会停止。不同于陆上的结构碰撞，船舶周围流体介质也参与 了能量吸收，影响碰撞的过程和结果。碰撞过程中，结构失效和船舶运动是同时发生的， 并互相影响，应该耦合求解。另外，船体是由加筋钢板焊接而成的，板的破裂和焊缝失 效在船体结构失效中也起着重要的作用，他们将直接影响到结构的失效机理和能量吸收 能力。船舶碰撞是船体结构在很短时间内( 大约零点几秒到一点几秒) 在巨大碰撞载荷 作用下的一种复杂的非线性动态响应过程。 碰撞中存在着大量的非线性问题，既有大位移所产生的几何非线性，又有材料发生 大应变时表现出的材料非线性，也存在着严重的运动非线性，还包含复杂的接触非线性 和摩擦问题。所有这些特点使船舶碰撞问题的研究相当复杂和困难。尽管如此，经过几 十年的努力，船舶碰撞的研究工作还是取得了很大的进步。 当前，船舶在数量和吨位不断增加的同时，正在朝着大型化、专用化、高速化方向 发展。海上交通日趋繁忙，船舶碰撞事故从宏观上讲是必然的。所以，船舶碰撞问题的 研究受到了世界上各主要造船国家的普遍重视。 本文对以往船舶碰撞方面的研究成果进行了分析和总结，对船舶舷侧结构的碰撞性 能进行了比较深入的研究，取得了些值得借鉴的结论。 陶亮：船女舷锲l 结构碰撞燃缝研究 1 绪论 l 。 研究对象与目标 随着海洋航运业的快道发展，航行船只大量增加，而且航速不断提高，航线也越来 越拥挤，因两艇舶碰撞幕敞对有发生。近年来人们一盥在致力予寻找降低船舶碰撞事故 的发生穰率帮避免油轮等虢黯发生蘸油渣漏带来的灾难往环境浮凝的方法。 碰撞是引起船舶结构损伤的主要原因之一。图1 1 1 3 为船舶遭受碰撞膝的结构损 伤情况。 图1 11 0 0 。0 0 0 d w t 油轮遭受2 2 ，6 0 0 鬃靛箱船碰撞的结构损伤 f 嘧1 1 d a m a g e t oa 1 0 0 ，0 0 0 d w t t a n k e r s t r u c k b y a 2 2 ，6 0 0 d 坩c o n t a i n e r s h i p 图1 2 碰撞事故中球鼻首引起的被撞船舷侧损伤 f i g 1 2 g a s h e ds i d es h e l lo f a t a n k e r r e s u l t i n g f r o m a c o l l i s i o nb y a n o t h e r t a n k e r 大连理工丈学硬士学位论文 图1 3 散货船碰撞船体梁必效 f 毽，1 3h u l lg i r d e rf a i l u f e ：c o l l a p s e 猷8b u l kc 丑玎i e r 根据1 9 9 5 年劳氏船级粒的统计分析，在各种事故造成的船舶损失中，碰撞和搁浅 大约占了5 0 ，h u ( 1 9 9 8 ) 关于穿梭油轮的一项研究也装明，在由穿棱油轮所引发的海洋 磷境污染事兹孛，疆撞窥麓浅足手占到7 0 。在国杰，疆长江港羧郏门绕计，1 9 9 7 年 长江全线共发辔三一般以上的海损事故4 1 3 起，其中仅磁撞事故就脊2 2 i 起，占5 7 。从 这些统计结果释，碰撞显然是船舶安全的最大危害之一。 从上述情况来看，对碰撞问题进行深入研究是十分必要的，这不仪有利于海上生命 安全，防空海洋环境污染，嚣显毽哥鞋梵籍舶结稳傻缘设计疆供熏癸静设诗蔽援。 为减轻船舶碰撞对结构安全的危害，至少需要完成以下两方面工作： 1 ) 对于舆体的碰撞情况，必须研究船体的能量吸收机制和结构的碰撞损伤过程； 2 磅突舷体结兹菰撞瞧羽饯强方浚髑竣送揍藏，设法提裹勰钵缍捣兹获磁攘毙力。 就具体的船体结构耐撩设计而言，1 ) 辩2 ) 是必不可少的研究工作。工作1 ) 研究船虢 磁撞的损伤机理，工作2 ) 探讨船体结构耐撞能力的改进方法，前者鼹基础，后者是目的， 二者相辅相戏。本文豹研究疆标选定为工作1 ) ，即以船舶碰撞损伤枫理作为研究的主题。 1 2 船舶碰攮研究现状 船舶碰撞躲嵇究工作可以追溯到2 0 溅纪5 0 年代聪期，其开创性工馋是m i n o r s k y ” 1 9 5 9 发表予j o u m 越o f s 赫p 疑e s e a 感上的研究论文。其工韭背象楚配合孩羲力船敬磷 制，防止其在碰撞或搁浅样事故中受到严重损伤而发缴核泄漏。6 0 年代、7 0 举代船舶 碰撞的研究黧点主要是核动力船。进入8 0 年代，相继发生了多起濑船碰撞或搁浅事故， 这些事薮导致躲竟酸撰，嚣淫大量努淫，造成了严重豹嚣凌嚣染。淫不完全绞谤，1 0 0 0 吨以上以及引怒3 0 万吨以上石油泄漏的油船碰撞事敢每年大约耍发生2 0 至3 0 起。这 羯亮：箍女般豌l 结擒碰撞性躲瞬究 热情况引起了人们对油船磁撞问题的重视，所以，船舶碰撞的重点转向油船。1 9 8 9 年发 生受美国强拉麓糖海岸静大型浊轮“e x x o nv a l d e z ”号摺浅事故警 发了油船终擒设诗 缴范的修改，诺来了世赛藏麓内的薪一轮磷究船舷磁攘稀搁浅豹浪潮 2 l 。遗入粥年代， 船舶碰撞研究勺重点主要怒超大型油轮( v l c c ) 。：i 琏些年来，日本、韩国和西方些 溉船发达国家都对船舶碰摭问题进行了深入的研究。髓本交通运输厅资助了一个长达七 年豹鏊在茨壹潼艇灌瀑夔磷究矮嚣，该项餮始于1 9 9 1 冬，壶a s i s ( a s s o c i a t i o n s t m c 极r a l i m p r o v e m e n to f s h i p b u i l d i n gi n d u s t r y 。) 负瓒，并由三菱煎工具体组织和实施p j 。我国从八 十年代中期开始了船舶碰撞和搁浅领域的研究工作，避些年来相关研究工作得到了深入 开震，取得了定的成就。 1 2 1 船舶碰攮研究方法 在船舶碰撞谤究中，一般将其力学枫理分为外部磁撞力学( 或称外部机理) 朔内部 磁撬力学( 袋称内部辊理) 嚣部分磁。辩帮碰撞力学童要描述麓麓豹闲体运动戮旋耗鼗 于结构损伤变形的碰撞能嫩，而内部碰撞力学则着力f 求解碰撞区域结构的损伤变形与 碰撞载荷之间的非线性关系。 。2 。 。 黔豁磁攘力拳 船舶外部碰撞力学主豢脊两种研究方法：解析法和数值法。解析法是基于一般刚体 动力学中的动蠛守恒定理；数值法则将船舶碰撞系统的运动方程视为一个初值问题进行 辩步积分。 1 解析法 m i n o r s k y 1 】魁船舶碰撞力学研究的毙驱，他第一次尝试将外部碰撞力学和内部碰撞 力学区分开采，在缓定碰攘蓉统动量守鬣稳条锌下，淄完全菲弹羧磁攘理论求麓懑蓬过 程中的动能损失，并将此能量损失视为结构的塑性嶷形能。后来的一些研究奎要是对 m i n o r s k y 公式进行修正，飚的是为了提离计算精度，弗解决撞击角度、撞击位鬣和撞击 遽凄戆 壬意攥阏嚣。 此夕 s h e n g m i n gz h a n g f 甜基于耐体磁撞力学的一般道论，分析了船舶碰撞过程中的 能量耗散问题。 这些方法都假设船舶碰撞运动是二维的( 即处予水乎面内) ，并认为船体慕零上是 一雕俸，蔼虽精不交酶除热求质量来圣蘩磁撞蓬程串承动力彩豌，掰錾方法虽然篱萃， 但分析精度不商。 大连理工大学硕士学位论文 2 数值法 p e t e r s e 【6 1 在这方面的研究工作很具代表性，他分析了二维情况下的船舶碰撞运动过 程。该方法假设相撞船体只在碰撞点发生相互作用，所有变形均发生在碰撞点附近，并 用四个非线性弹簧来模拟，船体的其余部分则作刚体处理。作用于船体上的力有碰撞力 和流体动力，碰撞力假设为碰撞船位移的函数，流体动力则采用切片法进行计算。然后 建立运动方程并进行时步积分，求出运动加速度增量，并求得速度增量和位移增量，从 而得到碰撞船位移，进一步得到碰撞力和船体在碰撞过程中的运动。 梁文娟【7 】考虑了碰撞区结构变形的三维特性和船体的六自由度运动，将p e t e r s e n 的 二维方法成功地推广到三维。 1 2 1 2 内部碰撞力学 内部碰撞力学是目前船舶碰撞研究的主要内容，其研究方法大致有四种：统计分析 方法、简化解析方法、试验方法和有限元数值仿真方法。 1 统计分析方法 统计分析方法就是根据实船碰撞数据资料，确定相关参数，用回归等方法得到经验 公式用于船舶碰撞计算与预报。 m i n o r s k y i i 】根据2 6 个实船碰撞数据最早建立了相关经验公式，认为碰撞中能量吸收 与相撞船舶的损伤体积有关，该公式适用于高能碰撞情况。 j o n e s l 9 8 3 8 基于受集中载荷作用的梁的塑性理论提出了一个用于低能碰撞的经验 公式。 此外v a u g h a n 9 1 、p a i k 、s h e n g m i n gz h a n g i s 】等也在这方面做了研究，并得到了相 应的经验公式。但这些公式为了简化计算都忽略了许多因素，因此是非常近似的。 2 简化解析方法 简化解析方法主要基于塑性力学中的上限理论【1 1 】和一些重要假设来分析碰撞问题， 这些假设主要来自对碰撞事故和试验研究的观察分析。 m c d e r m o t t 等1 9 7 4 ”】建立了一套油船的低能碰撞分析方法。该方法基于一系列基本 假设，数学模型中包括加筋板的弯曲和屈曲、外板和甲板的膜拉伸、肋骨的失效。分析 结果表明，船侧碰撞中舷侧外板的膜拉伸变形能占总吸能的绝大部分( 大约为 7 0 0 o - 8 0 ) ，而弯曲变形能很小，可以忽略。 辫亮；麓魑簸铡结耨磋撞链畿礤究 此外r e c k i n 9 1 9 8 3 1 3 】、w a n g 和o h t s a b t l 4 1 以及国内的张惠元【、朱厚勤【1 6 】镩对碰撞 中髓舞搂臻瓷形与失效避行了磅究，并建立了鞠应数诗算模型。毽是这秘方法单独分毒厅 各褥舞对磁撼吸鼹翁贡献，没有考虑秘彳孛之海簿穗嚣接触俸蘑，麓忿其应薅最裔鼹疆瞧 的。 3 试验孝法 船舶碰摭现象非常舞杂，许多细节觅法用理论模型来表达，胼以开展试验研究是必 麟的，可以从中获取可靠的数据，得到难确的结论。但是，船舶磁撞是一个强非线性问 题，援觳律在勰熬蘧攮教模型试验孛避嚣常重要熬。l 溪小灵褒眈铡模型孛豹畿缀破裂窥 黛艇静壳投玻襞并不符合穗儆律，霄慧构俘在毙镄模蘩孛又鬻辩液爨臻，薪蔽，比镶模 测的试验结聚通常并不能崴接用于模拟宓船碰撞过稷。虽然实尺( 实船) 碰摭试验是船 舶碰撞安全性研究中最准确可靠的方滋，但此类试验又是一种极龋爨的破坏性试验。 姨主鬣纪六十年惑开始，意夫裁、德莺帮鑫零翁磷究太员避行了一系捌模型试验， 浓研究船侧、船底等重要结构的耐撞髓能。特剐是嗣率，在九十犁代完成了个七年研 究项目，考黎了油船结构的碰撞破裂必散及其所引趣的石油外泄问题。意大利人和日本 人采曩翦试验模型太多燕小只痊麓纯搂蘩，所班曩鲶不是缀丈；德蘑入徼豹怒丈足度稹 黧试验。透叛模攒了被攘髓葭结梅睫波特性，瑟蒋黎聚薄手箍麓低能磋撞黪势凝骞一定 的作用。1 9 9 1 年日本与荷兰台作，利用黼艘8 0 多洙长的内河油船进行了一系刿的实尺 碰撞试验，通过这些试骏，研究了外觉黻裂、焊缝必散、附加水影响等问题。1 9 9 2 年、 1 9 9 3 年，霾本懿三菱重王搜熙魄赞筷鍪隧行了一螽戮猴静态襄动态试验，繇究y 痿交速 率对材料特髂的影响：构件加强形式对损伤模式的影响。 试验研究是船舶碰掇研究中一种不可缺少的手段，不仅理论分析和数值计辣需要试 髓磺变豹指替，露置理论分辑和数值诗舞翡结果也黎葵邋过试骏浓验涯。船舷磁撞熬试 骏工终可戥分建瑷下晁粪： 1 ) 基础性试验获取船体外宠的破裂准则。即外壳破裂时的极限平均应变： 2 ) 局部结构模型试验研究锫个构件对碰攮性能的影响； 3 ) 蘩船络撵镤羹试验黠器躲磁撞过程遘行详缮研究，获联迸撞载骜篙獒彩之 间的荧系。 4 ，鸯袋涎数餐薅真方法 随饕数值计算方法的敬遴帮计彝橇磺侔东平黥撼蠢，产生并发展了一帮耪兴瓣络稳 碰撞响应研究方法有限元数值仿真方法。l e n s e l i n k l 9 9 2 ”】利用m s c d y n a 糕序对船 大连理工大学硕士学位论文 舶碰撞过程进行了数值仿真研究，从而挝开了采用有限元方法计算船舶碰撞问题的序 黎。 有限元数馕仿真方法霹溢获褥稽确鹣分辑结果，窕不仅链够诗簿碰撞区麓绥梅损伤 交形与碰撞力，而且还结合了外部机理的分析与计算，可以真实地模拟碰撞现絮，能够 部分代替实船戏模型的碰撞试验，实现“虚拟碰撞”。因此，有限元方法是结构碰撞响 玻分掇戆一拿髅骞力工具，溅嚣选是簪 突 l 蓦艟碰建淘熬最是有效戆方法。瑷在诲多套限 元商用软件，如a n s y s t l s - d y n a 、m s c d y t r a n 、a b a q u s 、m s c m a r c 簿都可 以用于碰撞仿岚。 但是，耳静在工程应用中，船舶碰撞非线性有限元法用于实际船舶结构的磁攮分析 还没骞完全藏熬，有待遂一疹完善，许多关键睡逶，黧 线性鼗穰魏囊兹诗算穗茨到底 怎么样，以及难确使用有限元法取得准确仿真结果的必键技术是什么等，正处于深入研 究之中。同时，有限元法嚣求建立船舶结构详细的有限元模型，工作量比较大，因此， p e 地f s e 釜嘲、p n k 窝p e 穗r s e 0 1 冀等建立了一些麓证豹 # 线淫毒疆元方法，寒楚理瓣熊碰撞 数值仿真问题。 1 2 2 自器髓碰撩疆究趋势 无论是从囊全上、经济上，还是鼠环麓傈护上来褥，提高勰耱的抗碰撞经都其有 熬要的意义。因此，船舶碰撞和搁浅的研究引起了越来越多的重视。目前，还有如下一 然问题需要进一步研究： 1 1 终壳破裂耋裂； 2 】船体结构碰撞w 靠性研究； 3 】货舱中液体对碰撞性能的影响： 强】躲糖瓣攮等级懿译售方法； 【5 】耐撞结构的研究； 6 】l p g l n g 船、离速船的抗碰撞性能研究； f 7 1 船舶与其他障碍物的碰撞婀题； 嘲艨镕碰撞试验磷究，毒大尺度模鍪! 试验 实尺寸模委l 试验。 辫尧：耱镕自舷铡缡褐碰撞髋能研究 1 3 论文擞要研究的内容 船舶碰撞存强多种类挺，氍有船，瓣碰攮，也裔豁- 平台、麓蒋俸、船- 码头以及船一 桥头疆撞等。耪熬碰撞还胃分凳翻磁撩( s i d ee o l 域。醇窝头磋攮( h e a d - o nc o l l i s i o n ) 。零论 文研究的是船船侧向碰摭这类情况。 论文良线释有蠹元数蘧镑寞为烹簧方法，整理、 辩究、荠姆纳了麓憝磁撞分嫒枣 限元方法的熬本原理和关键技术；采照a n s y s l s m d y n a 程序建立了两船侧向对中碰 撞模型；利用所建立的有限元模型，研究了碰撞船程碰摭初速度、碰攘位置等不同情况 下，以及考虑预鼗蘅情况下的舷侧碰撞性熊；并以程序的计算终粱为瀑础，用抗撞性能 指标( c 硒对实船舷侧进行了抗渲性熊详话。 大连理工大学硕士学位论文 2 非线性有限元数值仿真的基本理论和关键技术 本章重点讨论了船舶碰撞数值仿真中所涉及的基本理论和关键技术。分别对显式时 间积分、薄壳单元算法、材料动力特性( 应变率效应) 以及接触摩擦等重要问题进行 了专题研究，给出了碰撞仿真中提高计算效率、精确性和稳定性的一些常用方法。 2 1 显式有限元方法的发展 有限元方法的发展起始于计算机的崛起。作为结构或连续体问题的数值近似解方 法，首先要建立和求解控制系统响应的代数方程，只有在计算机上才可能十分有效地应 用有限元方法对复杂问题建立和求解控制方程。由于能被求解的结构或连续体有其广义 性以及建立方程相对比较方便，并且形成的系统矩阵有良好的数值特性，这一切使有限 元法更具有吸引力。 1 9 7 0 年，h i b b i t ，m a r c a l 和r i c e 基于有限变形理论，应用增量法建立了全l a g r a n g e 格式的大位移、大应变弹塑性有限元法。s k a b a y a s h i 和c h l e e 于1 9 7 3 年提出刚塑性 有限元法。同年，o d e n ，b h a n d a r i ，y a g e w a 和c h t m g 建立了热弹塑性有限元法。1 9 7 4 年，z i e n k i e w i c z 提出了粘弹塑性有限元法，m c m e e k i n g 和r i c e 建立了更新的l a g r a n g e 格式的大变形弹塑性有限元法。这一时期的大量的有限元法的理论文献奠定了以后发展 的基础。 1 9 7 6 年，美国l a w r e n c el i v e m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y ( l l n l ) 在j o h a l l q u i s t 的主持 下研制开发了第个显式非线性动力分析通用有限元程序d y n a 3 d 和d y n a 2 d 20 1 。这 是目前世界上所有显式有限元程序的鼻祖。 1 9 8 0 年，显式算法取得了突破性进展，t b e l y s c h k o 和c ，t s a y 合作开发了用缩减积 分方法的t b e l y s c h k o - - c t s a y 单元( 简称b t 单元) ，这是目前计算效率最高且应用最为 广泛的单元。 进入8 0 年代以后，随着早期d y n a 源程序的公开，国际上掀起一股显式有限元开 发的热潮，英国的0 a s y s ，德国的e s i ，美国的n a s a 等相继推出在公开的d y n a 源 程序基础上开发出来的各自的显式有限元程序。这些程序和最初的l l n l 开发的第一个 显式程序相比有了长足的进步。1 9 8 8 年h a l l q u i s t 成立了l s t c 公司( l i v e m o r es o t t w a r e t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 专门致力于l s d y n a 的开发。钟志华提出了一种同样的碰撞接 触界面的计算方法，即所谓的“防御节点法”来计算法向接触力【2 ”。 璃亮：躲舶镕鞠结构碰撞性熊骚究 1 9 8 8 年，以拥有著名的c a e 软件n a s t r a n 的美国m s c 公司对l s - d 叶a 3 d 遴行全新的改滋怎发布了m s c d y n a ，藏具备优秀的最式积分算法鄹多静材料模式两 被广泛用于分轿大量静菲线健瞬态阕题。 进入9 0 雄代以来，显式动力有限咒程序在技术上争取领先的焦点集中到能精确反 映材料本质而艇易于计算的材料模型开发、效率更高的接触搜寻算法和更为灵活的缩减 较分技末上。 从有限元发展的4 0 多年问，我们可以看到从线弹性蓟弹塑性褥到粘弹塑健的发展、 从解决小变形问题到大变形问题、从静力问题到复杂的动力接触问趣直至瞬态的碰撞响 皮遣题豹发展历程。有限元方法的应用藏豳还在不断拓展，可以预富，它将走恕更为成 熬酶瑟除段。 2 2 非线性有限元控制方程 在建立弹攫性有疆交形黪有限元接麓方程靖裔鹾耪描述方法，一耱是粳椿裙蠢 ( l a g r a n g e ) 描述方法，它魑以初始态图形为参考来描述，又称质点嫩标系描述；另一种 怒欧拉( e u l e r ) 描述方法，它是以变形态圈形为参考来描述，又称流动坐标系描迷。拉格 鞠嚣方法是一个琵较叁然秘毒教魏撵遥方法，逶鬻溺予霾薅力学_ ； 躁结麴力学豹共莓 接 述；欧拉描述方法主要用来分析具有圈寇控制体积物质的运动，如果来分析大饶移结构 问题，由于必须不断建立新的控制体积( 因为其边界谯不断变化) ，就显得不是很方便， 该方法通常主簧用来分析滚体力学闯题。嬲- d 、 a 鼹序的主要算法采用拉格勰翻撼述 缮量法。 考虑一个运动系统，菜质点在初始时刻t = 0 时，便于b 处，在固定的笛卡尔坐标系 下，其坐标为以( 口= 1 ，2 ，3 ) 。经时间t ，该质点运动到位置b ，在同一笛卡尔坐标系下的 黧檬楚茗，( f l ，2 ，3 ) ，参羹强2 。l 。采震挝猿耪窭撵述壤爨法霉缮 上。= x 。( 五，f )( 2 1 ) 在时闽t = 0 时，即为翅始条 牛 式中v ；意义了裙始遮璇 x i ( 以，t ) = 五 工j ( 丑。，0 ) = v 。( x o ) ( 2 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 坐标系及记号 f i g 2 1c o o r d i n a t es y s t e ma n ds i g n s 参考构形取为t = 0 时刻物体的初始构形的运动描述称为全l a g r a n g i a n 格式口l ) ；参 考构形取为t 前一时刻物体构形的运动描述称为更新的l a g r a n g i a n 格式( u l ) 。可以证明 两种表达方式建立起来的有限元格是等效的 2 2 1 。 根据连续介质力学理论，整个运动系统必须保持质量守恒、动量守恒和能量守恒。 质量守恒方程 p = 慨( 2 3 ) 式中，p 为当前构形的质量密度：，是体积变化率；岛为初始构形的质量密度。 动量守恒方程 o 七对l = p x ( 2 4 ) 式中盯，是柯西应力张量；是单位质量的体积力；x ，是质点加速度。该方程的解 应满足下列边界条件： 应力边界条件盯。吩= t ，( r )在面力边界a 6 1 位移边界条件( x a ，f ) = d i ( f )在位移边界： 接触面间断处的跳跃条件( 仃j 一盯i ) 肝，= o在内部边界a 6 3 能量守恒方程： 璃亮：船舶$ 霆穰l 结构碰撞犍戆磺究 e = v s d 嚣一( p + 目) 矿 ( 2 5 ) 式中e 为当前梅形的髓量；v 为警前构形的体积；占口为应交率张量；岛为偏应力 张量，由下式求得： s 镕= 口i 七t p + q ) c r g p 为压力，由下式决定： =一i1，0g磊=一i1p -q-q = 一互竺一j 轻 q 为体积粘性阻力；岛是k r o n e c k e r 6 函数( 毛。l ，i = _ ，；嘞= o ，i ，) 根据虚功原理，有： _ f ( p x i v 吒i - p f ) & i d v + p 口_ l 猕；醛 1 ( 2 + ( 2 7 ) + j ( 吩- c r ；) n i & f l s = 0 ( 2 8 ) 鲍 这里盼氐在：上满足所有边界祭件。应用散艘定理可得： 豇国。) ，d v = f ( a , f l a & i d s + 且瞄一盯i ) n ，庶，d s ( 2 9 ) r 热鹞 并注意副分部积分 p f 凰。) ，盯f j 蠡，= 撤。 ( 2 1 0 ) 予是，可溢褥窭磋攮系统孛懿控髑方程式： 溉= f p x f x i d v + pq & i d d v l 掰溆i d v i 。融。d v = o ( 2 - 1 0 pv矿动 式中数器个积分项分溺表示单位帮闯内系统瓣溪毪力、内力、俸积力帮袭嚣力所佟 的虚功。积分范围为单元体积，a 6 为蹰力的作用酾。 对式( 2 1 1 ) 进行离散化，得到离散方程为： m x ( t ) = p ( x ，砼一f ( x ，x )( 2 1 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 式中m 为总体质量矩阵；为总体节点加速度矢量；p 为总体载荷矢量；由节点载 荷面力、体力等组成；f 为单元应力场的等效节点力矢量( 或称为应力散度) 组集而成。 考虑到粘性阻尼项，式( 2 1 2 ) 变为： m x ( t ) = p ( x ，r ) 一f ( x ，主) 一c ( 主) ( 2 1 3 ) 该式与材料的动态本构方程一起构成问题的全部方程。 2 3 碰撞仿真中的沙漏控制 在早期的有限元计算中，为了计算内力和单元刚度矩阵，采用精确积分形式( f i 。f u l l y i n t e g r a t i o n ) ，但由此可能会产生体积闭锁( v o l u m e t i i cl o c k i n g ) 或剪切闭锁( s h e a rl o c k i n g ) ， 而且计算时间长。于是发展了缩减积分方案( r i ，r e d u c e di n t e g r a t i o n ) ，缩减积分方案避免 了闭锁而且大大降低了计算时间，但同时也带来了机动模式( k i n e m a t i c m o d e ) 或零能量模 式( z e r oe n e r g ym o d e ) ，对于8 节点六面体单元和4 节点四边形单元又叫沙漏模态 ( h o u r g l a s sm o d e ) ，产生沙漏模态的单元如图2 _ 2 所示。由于沙漏模态是随缩减积分方案 与生俱来的，因此只要采用缩减积分就不可避免地会存在沙漏变形。综合上面的精确积 分和缩减积分又出现了改进型缩减积分( s e l e c t i v er e d u c e di n t e g r a t i o n ) ，虽然避免了闭锁但 并未有效的降低计算时间，无法满足大型碰撞、冲压问题分析的要求。一个有效的方法 就是采用带沙漏控制的缩减积分方案。 鼷露 变形前单元变形后具有沙漏模态的单元 图2 2 沙漏影响的单元变形 f i g 2 2d e f o r m e dm e s hc a u s e db yh o u r g l a s s i n g 陶亮：艇女舷剿结捣碰撞性蠡黩姘究 最早的沙漏控制出现予m a e n c h e n 和s a c h 的有限麓分文献【2 那中，他们通过加入人工 黻性来疆割对边熬撩反方囱的旋转来搦铡沙漏摸态，但是该方法仪对二维闯题肖效。 p e t s c h e k 耪 壬黼s o n 【2 4 l 最早敷蜣了有限蓑分袼式靛渗漆模态豹起嚣怒在速度场肉丢失了 双线性成分。b e l y t s c h k o t 2 ”飚来建立了它的有限元格式。 k o s l o f f 和f r a z i e r 2 6 1 与w i l k i n s 等人谯1 9 7 4 年分别提出过控制三维沙漏模态的两种 冀法。疆究发璇逶；童零l 避一个猿犍疆愿鬣一令枣豹弹憋溺疫爵戳控潮不夷静沙潺模态。 憾是这种方法对稳定的整体横态有一定的影响。沙漏横态仍是酲执研究者的一大问题， 很多学者仍在对沙漏模态的控制作大量的研究。 出于沙潺横恋和真实的变形模态是正交的，所以沙潺变形在熊照计算中被党全忽 略。但是势了羧帚l 涉漏季l 遴静在潺交形方自上鹃约浆燕会带来g 囊静蔟失。 l s d y n a 中的体元和先元只有一个积分点( 单元形心处) 这种简单的单元公式有 利于计算速度，但是有可能引起沙漏现魏。出现沙漏现象的原因是幽于只有一个积分点 攀元戆某些变形覆态不其考嚣疫。魏莱不漾取疆藏蘩鼷渗漏瑗象熬产生，爨会缀快豹在 网格中蔓延，降低计算精度，缩小时间步长，直到最终由于单元的边长变成接邋于零而 使计算终止。l s d y n a 程序提供了复杂的方法来抑制沙漏现象的出现，即粘蚀阻尼算 滚薏韬撵性强4 发算法。这两种算法分别通j 窭引入沙漏变形方向上的阻熙终束力和弼h 发约束 力来季牵潮沙漏变形。将沙添绞束力记为并缝集逢磁攘系统的控鞠方程，德至； m x = p f + h c x ( 2 1 4 ) 由手弓l 入了沙潺茬钢力，会产生沙灏g 量损失，瓣系统敬能量乎赞产生影璃。 嚣且 夜有些工程问鼷中，采用沙漏控翩方法并不能完全解决沙漏问题。在本文静计算中弓 入 沙漏控制后，能较好地维持计算的稳定性和精度。但沙漏控制引起的能量损失还是比较 大的，在每一个计算时间步中大约为结构变形能的1 一l o ，因此结构塑性变彤能量吸 收就会穗应穗减少一些，孤褥导致磋接力稻该存搿下辫。 2 4 显式时间积分 2 4 显式中心差分算法 在考虑沙漏阻尼的影响后，式( 2 1 3 ) 的离散方程可变为： m x + c x + f = p + 蠢 注。1 5 ) 大连理工大学硕士学位论文 式中m 是质量矩阵，c 是阻尼矩阵，p 是包括碰撞力在内的外力向量，日是沙漏 阻尼力向量。 令p ”= p + h f c x ，贝0 有： m x = p ” ( 2 1 6 ) 把m 化为对角矩阵，则各个自由度的方程将是相互独立的，即： m ，x ，= 只”( i - l ，2 ，)( 2 1 7 ) 其时间算法采用显式中心差分算法( t h ec e n t r a ld i f f e r e n c em e t h o d ) x ( ) = m 。尸”( f 。) x o1 ) = x ( t1 ) + ( r1 + a ti ) x ( t 。) ”i“1 z ”i”j z 0 。“) = x ( t 。) + x ( t1 ) a tl ( 2 1 8 ) ”+ j ”+ i r 。一；2 = 丢( f 。+ r 。一t ) ；r 。+ ；2 = j f ( r 。+ r 。+ - ) ( 2 1 9 ) a t l = ( + a t 。“) 2( 2 - 2 0 ) a t 。= ( t 。一a t 。一1 ) ；a t 。“= ( t 。“一0 ) ( 2 2 1 ) 0 o 4 t i“ 气 图2 3 显式中心差分法 f i g 2 3t h ec e n t r a ld i f f e r e n c em e t h o d 陶亮：船舶舷测结掏碰撞瞧熊磅究 上式中，茁( 0 ) 、x ( t 。) 、x ( + 。) 分别是时刻的节点加速度矢慧、t 。时刻的节点 ”+ j4 + 三 速度矢量和f 。时瓤的节惫艇标矢量。 从上面的这组公式可以看出，如果融经求得f 。时刻的节点位鬣和加速度以殿t 时 肿j 刻熬节点速度，n t o + ；对刻豹控移互姣+ ；) 玎数出上式瓣掰t 嚣殴在熬个商透露域辩疆建， 可以由这个积分递推公式求得各个离散时间点的位置、速度帮加遮度。这种利簏