摘 要

由于人们对海洋矿藏资源与空间资源的进一步深入开发利用，海上大型浮体受到国际海洋工程界越来越多的关注。海上大型浮体是一个大型海洋工程结构物，可以用于开发海洋空间，利用海洋资源等。大型浮体所处的周围海洋环境极其恶劣，其补给船或作业船在航行中由于操作失误或者在风、浪、流的影响下可能与大型浮体发生碰撞，碰撞事故往往会造成大型浮体及船舶的结构严重受损，而引起货油泄露、海洋环境严重污染等恶劣后果，给国家、社会、企业造成巨大的损失。因而不论是从安全方面、环境保护方面，还是从经济方面来看，研究海上大型浮体的碰撞问题以及防撞结构的设计都十分有意义。

本文总结了已有的船舶碰撞研究成果，深入研究了船舶碰撞的机理，提出了两种大型浮体防撞结构形式—Y型舷侧结构和靠泊气囊，并进行了防撞效果分析以及布置设计。利用ABAQUS非线性有限元软件对船舶与大型浮体相撞过程进行仿真模拟，研究防撞结构的防撞性能。

全文的主要研究工作如下:

1. 分析总结了国内外船舶碰撞领域的研究现状，主要包括船舶碰撞机理、新型防撞结构、数值仿真技术等方面。

2. 研究和总结了船舶与大型浮体碰撞的数值仿真过程所涉及的非线性有限元理论和关键技术，包括控制方程、沙漏控制、显式时间积分算法、接触摩擦和碰撞过程材料的动力特性等方面。

3. 针对大型散货船的双壳结构提出了新型防撞舷侧结构形式，即Y型船侧结构。针对大型散货船周围靠泊船的碰撞情况提出了靠泊气囊以起到缓冲防撞的作用。分析了Y型舷侧结构的耐撞性能，研究了气囊刚度的影响因素。

4. 利用非线性有限元数值仿真技术研究了撞击船与大型散货船的碰撞过程。

关键词：船舶碰撞；非线性有限元分析；Y型舷侧结构；靠泊气囊；

Abstract

With the further development and utilization of marine mineral resources and spatial resources, more and more attention have been paid to large-scale floating structures at sea by the international marine engineering community. Large marine floating structure is a large marine engineering structure, which can be used to develop marine space and exploit the marine resources. The marine environment around the large-scale floating structure is very harsh. Due to operational errors or the influence of wind, waves and flow, the navigating supply ships or work vessels may collide with the large-scale floating structure. Collision accidents often cause serious damage to both large floating structures and ship structures, which lead to oil leakage, marine environmental pollution and other serious consequences, and bring huge losses to the country, society and enterprises. Therefore, it is of great practical significance to carry out the study of collision of large-scale floating structures and the research of anti-collision structure from the aspect of safety, economy and environmental protection.

On the basis of summarizing the existing research results about ship collision and further discussion about the ship collision mechanism, two kinds of anti-collision structure – Y-type side structure and berthing airbag are proposed and designed. The ABAQUS nonlinear finite element software is used to simulate the collision process between ship and large-scale floating structure, and the anti-collision performance of anti-collision structure is studied.

The main research work is as follows:

1. This paper summarizes the current research situation of ship collision in China and abroad, including ship collision mechanism, new anti-collision structures and numerical simulation technology.

2. The nonlinear finite element theory and key technologies involved in numerical simulation of ship collision are studied and summarized, including control equations, hourglass control, explicit time integration, contact friction and the dynamic characteristics of materials during the collision process.

3. A new anti - collision side structure is proposed for the double - shell structure of the large bulk carrier, that is, the Y-type ship-side structure. For the collision of berthing ship around the large bulk carrier, the airbag is proposed to play a role of buffer. The anti-collision performance of Y - type side structure is analyzed, and the factors which influence the airbag’s stiffness are studied.

4. The nonlinear finite element numerical simulation technique is used to study the collision process between the ship and the large bulk carrier.

Key Words：ship collision; non-linear finite element analysis; Y-type side structure; berthing airbag

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本文的研究背景及意义 1

1.2 国内外研究的现状 1

1.2.1 碰撞机理的研究现状 1

1.2.2 防撞结构的研究现状 4

1.3 本文的主要研究内容 5

第2章 碰撞的非线性有限元理论 6

2.1 非线性有限元控制方程 6

2.2 沙漏控制 6

2.3 显式时间积分 7

2.3.1 显式中心差分算法 7

2.3.2 显式积分的时步控制 8

2.4 碰撞分析中的材料模型 8

2.5 接触算法与摩擦 9

2.5.1 接触算法 9

2.5.2 摩擦力的计算 10

第3章 碰撞的数值仿真 11

3.1 碰撞仿真有限元模型的建立 11

3.1.1 结构的简化 11

3.1.2 单元尺寸的控制 12

3.1.3 材料模型和失效准则 12

3.1.4 接触的定义及摩擦的影响 13

3.1.5 模型约束定义 13

3.1.6 碰撞计算中对流体影响的处理方法 13

3.2 数值仿真结果及分析 14

3.2.1 撞击船速度 14

3.2.2 碰撞区域的结构损伤 15

3.2.3 碰撞区域的应力 22

3.2.4 碰撞力 34

3.2.5 碰撞过程中的能量转换 35

3.2.6 碰撞角度的影响 37

第4章 Y型舷侧结构及仿真研究 11

4.1 Y型舷侧结构简介 42

4.2 Y型舷侧结构有限元模型 43

4.3 数值仿真结果及分析 43

4.3.1 撞击船速度 43

4.3.2 碰撞区域的结构损伤 44

4.3.3 碰撞区域的应力 50

4.3.4 碰撞力 56

4.3.5 碰撞过程中的能量转换 56

第5章 靠泊气囊及仿真研究 58

5.1 气囊的结构与特性 58

5.1.1 橡胶材料力学特性 58

5.1.2 帘线层的模拟 59

5.1.3 气体单元的模拟 59

5.2 气囊的有限元模型的建立 60

5.3 数值仿真结果及气囊布置设计 61

5.3.1 数值仿真结果 62

5.3.2 气囊刚度的影响因素分析 64

5.3.3 气囊布置设计 67

第6章 总结与展望 68

6.1 论文的工作总结 68

6.2 论文的工作展望 69

参考文献 70

致 谢 72

第1章 绪论

1.1 本文的研究背景及意义

因为人们对海洋矿藏资源与空间资源的进一步深入开发利用，海上大型浮体受到国际海洋工程界越来越多的关注。海上大型浮体是一个大型海洋工程结构物，可以用于开发海洋空间，利用海洋资源等。例如，使用大型浮体可以将机场或者污染、噪声严重的工厂转移到海上，改善陆地居民的生活环境，节约陆地空间资源。

由于大型浮体所处的周围海洋环境极其恶劣，其补给船或作业船在航行中由于操作失误或者在风、浪、流的影响下可能与大型浮体发生碰撞，碰撞事故往往会造成大型浮体及船舶的结构严重受损，而导致货油泄露、海洋环境严重污染等恶劣后果，给国家、社会和企业造成巨大的损失。因而不论是从安全方面、环境保护方面，还是从经济方面来看，研究海上大型浮体的碰撞问题以及防撞结构的设计都十分有意义。因此，国内外学者纷纷研究优良的防撞结构以提高大型浮体的耐撞性能，降低大型浮体在碰撞事故中受到的结构损伤，提高其安全性能。

大型散货船作为一种大型浮体，一直以来是货运市场上的主力船型。其在海上航行中若遭遇碰撞事故，往往会导致灾难性的后果，将直接引起货舱破裂进水，最终将引起海洋环境的严重污染。因此，研究大型散货船在碰撞过程中的结构损伤变形、应力分布以及能量耗散机理，并提出合理有效的防撞结构是海洋工程中的重要研究方向。