摘 要

对于海上石油运输船，大型液化天然气船（LNG）以及船舶舷侧有压载水舱之类的载液船舶，其液舱结构在受到碰撞时，需要考虑液体受激励产生运动带来的影响。本文以装载流体的水舱受到外界碰撞激励为例，旨在研究考虑流体运动在内的海洋结构物碰撞过程中的动力响应问题。

本文首先对液舱内液体晃荡与结构之间的相互作用问题作了回顾，分析了该问题的研究现状以及进展，总结了涉及液体晃荡的碰撞问题的研究方法。在此基础之上，论文做了以下几项工作。首先，设计了水舱与冲头的碰撞实验，分析了两种因素（载液量和碰撞速度）对水舱结构动力响应的影响；其次，对水舱内的流体运动做了简化理论分析，建立了等效弹簧—质量系统；最后，利用ANSYS/LS-DYNA对实验中的水舱碰撞工况进行有限元模拟，并将有限元结果与实验结果进行相互对比验证。

相较之前液舱碰撞的研究，本文的创新性体现为以下两方面，一是在板变形的测量上，利用高速摄像机获得的冲头的位移时间曲线，结合应变仪测得的撞击点的应变时间曲线，可以获得板压痕中心位置处在碰撞过程中的变形时间曲线；二是实验设计上，水舱安装在固定基座上限制整体位移，实验边界条件的设置可以模拟舷侧液舱段在碰撞中发生局部变形。

关键词：水舱碰撞；动力响应；流固耦合

Abstract

For marine structure carrying liquid, such as oil tankers, large LNG carriers and ships with ballast tanks, it is necessary to take the liquid motion caused by impact into consideration when the tank structures are collided by other ships. Taking the case of a water tank subjected to external impact as an example, the purpose of this paper is to study dynamic responses of marine structures under collision impact considering fluid motion effect.

In this paper, the interaction between the liquid motion and the structure is first reviewed, and the research methods involved in the collision problem considering sloshing are summarized. On this basis, the paper has done following works. Firstly, collision experiments of water tank under impact are conducted, and two main factors (filling level of the tank and collision velocity) are analyzed. Then, an equivalent spring-mass model is established to analyze the fluid motion in the water tank. Finally, ANSYS/LS-DYNA software is used to simulate the experiment cases and its results are validated with experimental ones.

Compared with previous studies on tank collisions, the innovation of this paper is embodied in the following two aspects. First, on the measurement of plate deformation, the motions of the wheeled vehicle are recorded by a high-speed camera and the strain of the impact point was measured by strain gauges, then the deformation of the central point of the denting line on the plate during the collision process can be obtained. The second is the experimental design. The water tank is installed on the fixed base to limit the overall displacement. The experimental boundary conditions can be set to simulate the local deformation of the side tank section during the collision.

Key words: water tank impact; dynamic response; fluid-structure interaction

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外的研究现状分析 1

1.3 本文研究主要内容和方法 3

第2章 流体的等效简化 4

2.1 整体加速中结构舱壁处的压力和速度分布 4

2.2 流体振荡频率 6

2.3 流体压力的等效简化 8

2.3.1 冲击压力的简化 8

2.3.2 对流压力的简化 9

2.4 本章小结 10

第3章 水舱碰撞实验 12

3.1 水舱模型 12

3.2 实验设备及测量装置 13

3.2.1 实验总体布置 13

3.2.2 测量设备 14

3.3 实验工况 16

3.4 静态拉伸实验 17

3.5 实验结果及分析 18

3.5.1 实验结果处理 18

3.5.2 装载量和速度对变形的影响 19

3.6 本章小结 20

第4章 水舱碰撞有限元仿真 21

4.1 LS-DYNA软件功能介绍 21

4.2 前处理 21

4.2.1 单元类型 21

4.2.2 材料属性 21

4.2.3 建立水舱碰撞模型 22

4.2.4 接触方式 24

4.3 仿真结果分析 24

4.3.1 后处理器LS-PREPOST 24

4.3.2 仿真结果 25

4.3.3 仿真与实验对比 28

4.4 本章小结 31

第5章 总结及展望 32

5.1 总结 32

5.2 展望 32

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

随着绿色环保概念的深入人心，国际上对于海上行驶船舶在营运中结构的安全和强度问题越来越关注，特别是对于设计有液舱的船舶，如海上原油运输船，舷侧设压载舱等液货船，液舱一般装载有石油、化学品、压载水等对海洋具有污染性的液体，为保护生态环境，必须保证船舶在遭遇极端意外载荷（如，碰撞事故）下不发生泄漏，这就要求对液舱段有合理可靠的结构安全设计。另外，随着清洁能源天然气的使用越来越广泛，海上液化天然气运输的特殊性使得航运业对大型LNG运输船的需求日益增长，LNG船的建造中液舱结构的设计一直是需要突破的关键技术。这些行业发展的趋势都指向一个亟待研究的问题：船舶在碰撞中液舱晃荡与结构动力响应之间的相互作用问题。

船舶液舱舱壁在遭受到碰撞作用后，舱内液体会以一定频率在舱内往复运动，液体的流动会对结构变形产生影响，这种运动被称为液体晃荡。舱室结构内的液体晃荡呈现出强非线性，且舱内流体从初始静止状态变为运动状态，会吸收部分外界激励的能量，相较同条件下的空舱，舱内液体会对结构变形有“缓冲”作用。因此，在研究船舶碰撞问题时，应考虑舱内流体运动对结构的动力响应，以便在船舶舱室结构设计阶段，将流体晃荡运动减弱结构变形的影响考虑在内，优化结构设计，增强船舶的经济性。故本文的研究目的是，分析考虑流体运动在内的结构碰撞动力响应，即当外界撞击载荷与因碰撞导致的流体晃荡产生的压力载荷同时作用在舱壁上时，讨论液体存在对结构变形的有利影响。

1.2 国内外的研究现状分析

对于船舶碰撞问题的研究方法主要有三类^[1]，简化分析法通过对船舶进行简化处理，运用解析方法和经验数据建立力学方程研究碰撞问题，但数据的有限性影响结果准确性；试验研究可以通过模型得到相对可靠的数据，但船模结构中的板厚、加筋等细节无法按统一比例缩放，由此造成的尺度效应让实验数据的准确性有所下降，模型试验受到小尺度比例的限制；计算机有限元方法可以实现数值仿真，精确模拟船舶碰撞过程。试验研究与数值仿真结合，互相验证成为研究碰撞问题的主流趋势。Zhang等人^[2]将大量模型碰撞实验数据与闭合形式的分析解进行对比，两者很好地吻合。