新型防撞体系的船舶撞击影响因素研究

戴振华，蔡建国，史常龙，杜彩霞

（1.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014；2.东南大学，江苏 南京 211189）

近年来，随着水运行业的快速发展和干线航道网的逐步完善，船舶进出船闸的频率和规模不断增加，导致船舶与闸门之间碰撞事故发生的频率增加。为确保闸门受撞击后结构的安全，对船舶撞击力进行研究极为重要。国内外的规范均对船舶撞击力的计算进行了规定，我国《船闸闸阀门设计规范》[1]明确规定了船舶撞击力的计算方法。然而，规范采用的计算方法并不能准确反映船舶撞击的真实情况。为解决船舶撞击力计算方法不够准确的问题，高家镛等[2]提出了一种新的计算方法，即应用船舶运动理论来计算撞击力，并进行了试验验证。马晓攀等[3]运用数值模拟方法，对船舶撞击作用下闸门主要受力构件的变形和应力状态进行了分析。此外，张启灵等[4]考虑了闸门材料的弹塑性、失效和结构大变形等复杂因素，对船舶正面撞击弧形闸门的过程进行了详细的模拟分析。国内外许多专家学者采用不同软件模拟船-桥或船-船动力碰撞过程，以替代传统的经验公式计算[5-7]。

在闸门实际运行中，闸门防撞体系受船舶撞击的情况比较复杂，因此，深入研究不同因素对闸门防撞体系的影响，对于防撞体系的设计和优化具有重要意义。本文探讨了船舶撞击时的影响因素，并基于数值模拟，对防撞体系受撞击时的力学响应进行了研究。

1 有限元建模

本文采用有限元软件ABAQUS 对三角闸门以及撞击用到的船舶建模，闸门各构件及船舶使用的单元类型及材料如表1 所示。

表1 船体与闸门各构件单元类型及使用材料汇总

在对三角闸门进行有限元分析时，其实际约束条件比较复杂，因此本文对其进行了一定程度的简化。具体而言，本文对顶枢水平面内和竖直方向的位移U1、U2进行了约束，对底枢水平面内和竖直方向的位移U1、U2、U3进行了限制，同时限制了两端羊角的U1、U2位移。此外，对启闭杆的U1、U2 及转动位移UR1、UR2、UR3 进行了限制。闸门的具体约束情况详见图1。

图1 三角闸门约束条件

同时对船体进行建模，船体网格单元采用实体单元，船体模型如图2 所示。

图2 船体模型

2 计算工况

本研究旨在分析排水量、速度和撞击角度三种因素对闸门受撞击时的受力影响。为此，选取了不同排水量的船舶（1000t、2000t、2500t、3000t、3500t 和4000t）、不同速度的船舶撞击（1.4m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s 和3.5m/s），以及不同角度的船舶撞击（4°、5°、6°、7°和8°）。取值统计如表2 所示。

表2 不同影响因素取值

同时，由于防撞体系的中间位置在实际中受撞击概率较大，故选取防撞体系的中间位置作为撞击点，具体撞击位置如图3 所示。

图3 撞击点示意图

3 计算结果分析

3.1 船舶排水量的影响

针对不同排水量的船舶，在撞击作用下，竖梁、横梁和支撑的动力响应情况见表3。此外，为了更全面地分析这些构件的应力变化趋势，绘制了不同排水量下竖梁、横梁及支撑的应力变化图，如图4 所示。

图4 不同吨位下各杆件应力变化

表3 不同船舶吨位下各构件在撞击作用下的应力(MPa)

根据表3 和图4 的数据分析可知，随着船舶吨位和排水量的增加，竖梁、横梁和支撑所承受的应力逐渐增大，且呈线性增长趋势，但增幅较小。例如，当船舶吨位增加4 倍时，竖梁所承受的应力增加了100 MPa，而横梁和支撑所承受的应力增幅分别为39 MPa 和50 MPa，且均达到了屈服强度。

因此，可以得出结论：船舶的吨位对船闸防撞体系各构件在撞击动力下的响应影响较小。这是因为船舶的质量主要影响其惯性，而在撞击过程中，船舶的质量对构件所承受的应力变化影响较小。

3.2 撞击速度的影响

考虑到船舶吨位对船闸防撞体系的响应影响较小，因此在分析撞击速度时，通常取船舶吨位为常数以体现撞击速度的影响。在本研究中，我们选取了船舶吨位为1000t，并通过表4 和图5 展示了不同撞击速度下各构件的应力值和应力变化趋势。

图5 不同撞击速度下各杆件应力变化

表4 不同撞击速度下各构件在撞击作用下的应力(MPa)

通过对表4 和图5 的分析，可以发现随着船舶速度的增加，竖梁、横梁和支撑的应力也相应增加。具体而言，竖梁的应力增长率最大且变化趋势最为陡峭，横梁和支撑的应力增长率相对较小，变化趋势较为平缓。需要特别注意的是，在船舶速度超过2.5m/s 时，竖梁会出现屈服，发生塑性变形，而横梁和支撑的应力仍在弹性范围内。这表明竖梁在撞击过程中较为脆弱，容易发生破坏。因此，在设计船闸防撞体系时，需要重点关注竖梁的强度和稳定性，以确保其能够承受高速撞击并保护其他构件的完好性。此外，针对不同构件的应力变化趋势，也应采取相应的措施来保证整个防撞体系的性能。

3.3 撞击角度的影响

为了分析撞击角度对于船闸防撞体系构件应力的影响，本文取船舶吨位为1000t，并将不同撞击角度下构件所受撞击的应力值汇总于表5。同时，图6 显示了应力值随角度变化的整体趋势。

图6 不同撞击角度下各杆件应力变化

表5 不同撞击角度下各构件在撞击作用下的应力(MPa)

根据表5 和图6 的结果可知，随着船舶撞击角度的增加，竖梁、横梁和支撑的应力也相应增大，其中竖梁在船舶的撞击角度超过6 度时就会屈服，发生塑性变形。相比之下，横梁和支撑的应力变化较为平缓，在弹性范围内，表明其具有一定的抗撞性能。据此可以得出结论，船舶撞击角度的增加会使得船闸防撞体系的各构件承受更大的力，从而导致应力增大和破坏风险增加。因此，限制船舶偏离中心航线的角度，使其尽可能沿着航道的中心线行驶，可以有效减小船舶与防撞体系之间的撞击角度，降低破坏风险，提高船闸防撞体系的安全性和可靠性。

4 结论

随着船舶吨位的增加，竖梁、横梁和支撑所承受的应力呈线性增长趋势，但增长程度并不显著。同时，随着船舶速度的增加，竖梁、横梁和支撑的应力也呈线性增长趋势，其中竖梁会在船舶速度超过2.5m/s 时屈服，导致其发生塑性变形，而横梁和支撑的应力仍处于弹性范围内。此外，竖梁、横梁和支撑所承受的应力也随着船舶撞击角度的增加呈线性增长趋势，当1000 吨船舶的撞击角度超过6 度时，竖梁的应力达到屈服应力，并发生塑性变形，而横梁和支撑的应力仍在弹性范围内。因此，在航行中，船舶应该遵守规范行驶，尽可能避免偏离中心航线，以防止撞击角度过大的情况发生。