1万m3LNG运输船碰撞仿真模拟分析

张荣，于有利，石峰，肖曙明，王娜，朱加刚

(1.中海油能源发展采油服务公司，天津 300452;2.中国船级社武汉规范研究所，武汉 430022)

1万m3LNG运输船碰撞仿真模拟分析

张荣1，于有利1，石峰1，肖曙明2，王娜2，朱加刚2

(1.中海油能源发展采油服务公司，天津 300452;2.中国船级社武汉规范研究所，武汉 430022)

以1万m3内河小型LNG运输船为例，探讨船舶碰撞数值仿真方法的分析过程和方法，获得该船与不同排水量撞击船相撞时临界撞击速度与撞击角度的关系曲线，根据计算结果对典型LNG运输船的安全运营给出意见和建议。

LNG运输船;碰撞仿真;抗碰撞能力;临界撞击速度;撞击角度

随着市场对液化天然气(LNG)需求的增长加快，LNG海上以及内河运输也在快速发展。由于LNG运输船属于危险品船，其与航区内其他船舶的碰撞问题显得尤其突出。因为碰撞事故不仅会导致船舶结构的损坏，还可能引起泄漏事故从而引发爆炸、低温破坏，以及人员中毒等危险。在全球发生的海难事故中，有40%以上是由于船舶碰撞造成的［1］，因此船舶碰撞问题越来越受到研究人员的重视。对LNG船进行抗碰撞能力评估，提高LNG船的抗碰撞能力，增强LNG运输船营运的安全性具有极为重要的意义。

1 船舶碰撞研究方法

船舶碰撞属于强非线性物理现象，涉及到船舶的塑性变形、断裂、撕开等非线性力学行为。船舶碰撞的研究经过几十年的发展，主要有经验方法、简化解析方法、试验方法和有限元数值仿真方法4种。

1)经验方法主要是以Minorsky［2］于1959年根据26艘实船碰撞试验数据为基础，提出的结构变形能与参与变形的结构损伤体积之间的经验公式进行船舶碰撞过程中能量吸收的计算，但是Minorsky公式具有很大的局限性，因此Minorsky公式不断被修正。

2)简化解析方法则基于一系列基本假设，建立船舶碰撞分析的数学模型，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。从而得到船舶碰撞过程中被撞船吸收能量的计算公式。

3)试验方法则是通过实船试验或缩比模型试验，从试验中获取相关数据，换算到实船［3］。

4)有限元数值仿真方法不仅能够计算碰撞区的结构损伤变形和碰撞力，而且结合了外部机理的分析和计算，可以真实地模拟碰撞现象，具有解析法无法比拟的优势，能够部分代替实船和模型的碰撞试验，实现“虚拟碰撞”。从上个世纪90年代以来。国内外从事船舶碰撞的学者采用三维非线性动态响应分析软件，对船舶碰撞课题展开了十分广泛的分析研究［4-5］。

本文将采用三维非线性有限元仿真方法，对典型LNG运输船进行碰撞仿真模拟。

2 撞击船的选取和模拟

2．1 撞击船的选取

为便于讨论，将在LNG运输船航线内与之发生碰撞的船舶分为小型、中型和大型船舶。小型船一般为交通艇、客渡船，等;中型船一般为集装箱或散货船;大型船主要是排水量超过10 000 t的散货船、油船(包括进江的海船)等。

针对小型撞击船，选取排水量约为200 t(对应船长约为40 m左右)的典型实船1艘;针对中型撞击船，选取排水量约为3 600 t(对应船长约为80 m)的典型实船1艘;针对大型撞击船，选取长江中下游130 m左右，排水量约为20 000 t的实船1艘。

中小型船的艏部形状一般为倾斜船艏，大型船一般为带球鼻艏的倾斜船艏。

撞击船的基本情况见表1。

表1 撞击船基本情况

2．2 撞击船有限元模拟

船舶碰撞的仿真分析模型主要包括撞击船和被撞船两个部分。在研究过程中，建立被撞船的全船结构有限元模型。参考《内河双壳液货船耐碰撞评估指南》［6］中的相关规定，对于撞击船，不考虑其损伤变形和吸能特性，将它们作为刚性体考虑，建立撞击船的艏部外形有限元模型进行碰撞仿真分析，见图1。

3 被撞船模拟

3．1 被撞船概述

被撞船1万m3LNG运输船的主要尺度参数见表2。侧视图见图2。

图1 撞击船有限元模型

表2 1万m3LNG运输船主尺度

3．2 被撞船有限元模拟

根据结构的实际受力状态将全船各类结构按建造厚度离散为下列几种类型。

图2 被撞船1万m3LNG运输船侧视示意

1)板壳元(四节点，shell element):甲板、舷侧外板及船底板、内底板、船底纵桁、舱口围板、纵舱壁及横舱壁、肋板、强框架、双壳间纵向平台，板材上的纵横骨材、水密舱壁上扶强材，等，对其腹板采用板壳元模拟。

2)梁元(两节点，beam element):板材上的纵横骨材、水密舱壁上扶强材，等，对其面板采用梁元模拟。

在被撞船的有限元仿真计算中，壳单元均采用Thin shell 163单元，梁单元均采用Beam 161单元。被撞船有限元模型见图3。

材料属性有刚性材料和多线性(双线性)弹塑性材料。由于撞击船的艏部刚度要远远大于被撞船中部壳板和纵骨等骨材的刚度，故采用刚性材料模拟撞击船艏部。这样不仅可以提高计算效率，而且所得到的仿真结果也偏于保守。被撞船舷侧结构则采用双线性弹塑性材料模拟。

图3 被撞船有限元模型

1万m3LNG船主船体采用Q235船用钢，弹性模量为206 GPa，切线模量为1 180 MPa，泊松比为0.3。在仿真计算中考虑撞击船与被撞船之间的摩擦作用，定义摩擦系数为0.3。

4 碰撞模拟仿真方案

4．1 边界条件、接触方式的确定

在有限元计算模拟中，接触设定均采用自动单面接触。单面接触可以用在一个物体表面的自身接触或两个物体表面间的接触，对于模型中壳单元法向方向可能出现不一致的情况最好采用自动接触算法。在自动单面接触中程序会自动判断模型中哪些表面发生接触，不需要人为定义主、从接触面。考虑到单面自动接触不能自动输出接触力，计算时定义一个力传感器接触方式，用来输出关心部件所受的接触力［7-9］。

由于船舶碰撞为局部损伤现象，只在碰撞区域产生塑性变形、破裂，非碰撞区域基本上不会产生塑性变形。因此，为减少计算时间、提高计算效率，对被撞船作如下约束处理。

1)艉部艉尖舱横舱壁处所有节点约束x向，y向和z向的位移与转动。

2)艏部艏尖舱横舱壁处所有节点约束x向，y向和z向的位移与转动。

4．2 网格尺寸和失效应变分析

在有限元仿真中，确定单元失效、断裂或破坏(即单元丧失了强度和维持承载的能力)的材料模型的塑性失效应变是比较困难的。根据《内河船舶抗碰撞能力评估指南》的规定，采用50 mm的网格尺寸，其临界断裂应变值应取为0.22。由于撞击船纵向肋骨间据为700 mm。当单元尺寸划分为50 mm时，仅碰撞区网格数就达到70万，整船模型网格数则会达到200万以上，这给船舶碰撞的仿真分析带来极大困难。为了提高计算效率，减少计算时间，将碰撞区网格尺寸设定为100 mm，非碰撞区域网格尺寸则为700 mm。当碰撞区网格尺寸改变时，其临界断裂应变值必须进行相应改变。

为确定对应100 mm单元尺寸时临界断裂应变值的大小，需通过选取不同的临界断裂应变值，进行船舶碰撞的仿真模拟，得到相应的撞击力-撞深曲线和能量-撞深曲线，并将其与50 mm网格，临界断裂应变值为0.22的船舶碰撞模拟结果进行比较，最终确定临界断裂应变值的大小。具体步骤如下。

1)建立局部舱段的有限元仿真模型和撞击船艏部仿真模型。

2)将舱段分别采用50和100 mm单元尺寸进行网格划分。

3)针对50 mm网格尺寸的舱段模型，临界断裂应变取为0.22，进行碰撞的仿真模拟计算。

4)针对100 mm网格尺寸的舱段模型，临界断裂应变值分别取为0.19、0.18、0.17进行碰撞仿真模拟。

5)将以上计算得到的撞击力-撞深曲线、能量-撞深曲线同50 mm的撞击力-撞深曲线和能量-撞深曲线进行比较，选取吻合较好的一组临界断裂应变值作为本仿真模拟中对应100 mm网格尺寸的断裂应变值EL，见图4、5。

图4 撞击力-撞深对比

图5 能量-撞深对比

图4、5给出了网格尺寸为50 mm(临界断裂应变值为0.22)和网格尺寸为100 mm(临界断裂应变值分别为0.19、0.18、0.17)的撞击力-撞深曲线和能量-撞深曲线。由图可见，在网格尺寸为100 mm，临界断裂应变值为0.19时，无论是撞击力-撞深曲线还是能量-撞深曲线均与网格尺寸为50 mm仿真模拟结果吻合较好，表明网格尺寸为100 mm时，临界断裂应变值应取0.19。

4．3 碰撞模拟仿真力学模型的选取

对小型船撞击，因被撞击区域较小，故采用局部模型进行碰撞仿真分析，局部模型取为被撞船两横向舱壁之间的一个货舱区的左舷。仿真计算中采用附连水质量法考虑周围流体介质的动力影响，根据《内河船舶抗碰撞能力评估指南》的规定，撞击船的附连水质量取为排水量的10%，以等效质量密度的形式附加在外壳板上。对局部模型，细化区网格最大边长尺寸为100 mm，网格数为17万。局部撞击模型见图6。

图6 LNG运输船局部模型

对中型、大型船舶，因撞击区域较大，采用全船模型进行计算。考虑计算时间，整船模型网格划分的原则为:对撞击区采用100 mm网格尺寸划分，相应的失效应变为0.19;对非撞击区网格则以700 mm作为网格最大边长尺寸进行划分。最终网格数目为46万。LNG运输船整船网格模型示意见图7。

图7 LNG运输船整船网格模型示意

5 碰撞模拟仿真结果分析

5．1 碰撞角度对抗碰撞能力的影响

为了分析碰撞角度对抗碰撞能力的影响，以撞击角度为30°、90°两种情况进行仿真分析。撞击船以30°斜撞LNG运输船示意见图8。

图8 撞击船以30°斜撞LNG运输船有限元模型示意

中型撞击船以30°和90°(直角撞击)撞击LNG运输船时的内能与摩擦能对比见图9。由图9可见，随着撞击角度的减小，被撞船舷侧结构的塑性变形能和摩擦能均大幅增加，尤其因摩擦而消耗的能量增加更快。这表明有意减小撞击角度将有助于确保LNG运输船罐体不受损伤。

5．2 撞击速度对抗碰撞能力的影响

撞击速度的增加，在排水量不变的情况下，意味着撞击船动能增大。碰撞过程中，撞击船动能的损失主要转化为被撞船的结构变形能。所以控制撞击船的撞击速度是保证LNG运输船安全营运的关键。

图9 中阻撞击船以不同撞击角度撞击LNG运输船内能和摩擦能对比

5．3 临界撞击速度与撞击角度的关系

被撞船的抗碰撞能力主要与撞击船的撞击角度和撞击速度有关。对于一定排水量的撞击船来说，被撞船在一定撞击速度下存在一个极限撞击角度。同理，针对一定排水量的撞击船来说，被撞船在一定撞击角度下存在一个极限撞击速度。

分别对撞击船为小型、中型和大型船舶，以不同夹角(30°、45°、60°、90°)撞击LNG运输船过程进行模拟仿真，并计算出临界撞击速度。以此绘制针对不同撞击船以不同角度撞击LNG运输船时临界撞击速度与撞击角度的关系图谱，见图10。

图10 小、中、大型船撞击LNG运输船图谱

1)由图10 a)可见:对于小型船撞击1万m3LNG运输船，因其撞击动能较小，只要对1万m3LNG运输船的舷侧结构进行适当抗碰撞加强，其安全水平可以接受。

2)由图10 b)可见:对于中型船撞击1万m3LNG运输船，当撞击角度小于等于45°时，1万m3LNG运输船的罐体不会受损伤，其安全水平可以接受。如果对1万m3LNG运输船的舷侧结构进行抗碰撞加强，则能提高1万m3LNG运输船的抗碰撞能力。

3)由图10 c)可见:对于大型船撞击1万m3LNG运输船，由于该货船满载排水量大，含有极高的动能，因此1万m3LNG运输船难以满足该类撞击船撞击时的安全水平。从计算结果可以看出，1万m3LNG运输船能够抵抗该类货船满载工况下撞击角度为30°时的撞击。对于该类船舶必须采取海事监管措施，使其不会对1万m3LNG运输船造成危害。

4)从各撞击船以不同撞击角度撞击1万m3LNG运输船的图谱曲线可以看出，随着撞击角度的减小，1万m3LNG运输船所能抵抗撞击船的撞击速度一开始是缓慢增加，当撞击角度减小至60°时并继续减小时，该运输船所能抵抗撞击船的撞击速度增加很快。这表明当撞击船以小角度撞击该运输船时，该运输船能够抵抗撞击船以更高速度的撞击。

［1］林浦.船舶碰撞事故的现状与预防［J］.航海技术，1996(3):2-4.

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［7］赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南［M］.北京:兵器工业出版社，2001.

［8］王自力，顾永宁.撞击参数对双层舷侧结构碰撞响应的影响［J］.船舶工程.2000(06):13-16.

［9］叶文兵，刘敬喜.撞头形状对双壳结构耐撞性能影响分析［J］.船海工程.2007，36(6):4-7.

Numerical Collision Simulation of 10 000 m3LNG Transport Ship

ZHANG Rong1，YU You-li1，SHI Feng1，XIAO Shu-ming2，WANG Na2，ZHU Jia-gang2
(1.CNOOC energy technology production of Service Corporation，Tianjin 300452，China; 2.Wuhan Rule and Regulation Research Institute，China Classification Society，Wuhan 430022，China)

Taking the 10 000 m3inland LNG transport ship as example，the methodology of numerical simulations for ships＇collision is discussed.The critical collision speed-collision degree curves for the 10 000 m3inland LNG transport ship collided by a ship with different displacements are obtained by the non-linear FEM analysis.According to the analytical results，some comments and suggestions for shipping safety of typical LNG transport ship are put forward.

LNG transport ship;collision simulation;collision resistance ability;critical collision speed;collision degree curve

U674.13

A

1671-7953(2015)02-0010-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.003

2014-05-29

修回日期:2014-08-08

中小型LNG运输船碰撞(CY-G-S-12-ZC-019)

张荣(1979-)，男，学士，工程师

研究方向:中海油液化天然气(LNG)运输船业务

E-mail:nwang@ccs.org.cn