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1、浙江海洋学院航 海 类 专 业 专 题 论 文题 目：不同礁石形状对双壳油船搁浅仿真的影响学 院：海运与港航建筑工程学院 学生姓名：李苏鲁专 业：轮机工程 班 级：A11轮机1班 指导老师：吴文锋起止日期：2015年1月17日-2015年5月23日2015年5月23日中 文 摘 要摘 要双壳油船搁浅性能研究是船底结构设计的重要环节。双壳油船发生搁浅时材料和结构会发生大的位移和形变，双壳油船搁浅具有多重非线性特征。且在搁浅过程中存在多种不确定因素，因此若要通过建立一个精确的数学模型使问题得到完全解析是不可能的。经过多年的发展和实践研究，非线性有限元数值仿真计算已日益成为船舶搁浅分析的主要方法。本
2、文在已有的研究成果上应用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA对双壳油船搁浅在不同形状礁石上进行数值计算，得到双层底结构的损伤变形模式、搁浅力和能量吸收结果，分析比较这些结果来得到一些重要结论，为日后船体结构设计提供一定的参考数据。关键词：搁浅；非线性有限元仿真；礁石种类英 文 摘 要ABSTRACTThe study of ship ran around performance is an importance part of the hull structure design.Great shift and deformation of hull strueture will happ
3、en during the dynamic Process of ship strandingand colliding，so ship stranding takes on multi-non-linear feature.Given multiPle uncertaillties involved intotlle stranding Proeess，it is impossible to build a Preeise mathematieal module to figure out a thorough solution based on complete analysis.Afte
4、r years of Praetieal researeh，non-linear FEA(Finite ElementAnalysis) simulation has beeome by far the most effeetive research method of ship stranding.Based on the exciting research results on the application of nonlinear finite element softwareANSYS/LS-DYNA for double hull oil tanker ran aground on
5、 the rocks in different shapets of numerical calculation,get the double bottom structure pattern of damage deformation, grounding force to obtain some importang conclusion,provide certain reference data for hull structure design in the future.Key Words：Ship grounding; Non-linear FEA Analysis; The ro
6、ck types目 录目 录第1章绪论11.1 选题背景11.2 国内外研究现状11.3 本文工作内容3第2章船舶搁浅的基本理论52.1 搁浅运动方程及求解方法52.2 搁浅经验公式6第3章船舶搁浅有限元模型的建立73.1 问题描述73.2 模型建立73.3 模型简化83.4 材料模型选用83.5 单元类型83.6 建立有限元模型9第4章数值仿真计算结果及分析104.1 能量吸收数值结果分析104.2搁浅力模拟数值结果分析104.3 船底结构损伤形变114.3.1 搁浅于台形礁石114.3.2 搁浅于球形礁石134.3.3 搁浅于锥形礁石15结论18参考文献19致谢2120 / 23第1章 绪
7、论1.1 选题背景随着海运事业以及造船技术的迅速发展，船舶数量迅速增长，船舶搁浅风险也显著提高1。1967年，TORRYCANYON号油轮在英吉利海峡发生触礁搁浅，十万多吨原油全部倾腹大海，使法国北部海岸污染严重，引起当时全世界的关注；1978年AmocoCadiz油轮在法国附近触礁引发船体断裂，溢出22万吨原油，使法国海岸250公里遭受污染，直接造成三亿美元损失；1989年ExxonValdez号油轮在威廉王子湾搁浅，泄漏三万七千吨原油，污染近7000km2海域，这起历史上最严重的海洋污染事故使当地遭到严重污染，导致当地的鲜鱼和鲜鱼资源近于灭绝，损失相关费用高达50亿美元；1997年，俄罗斯
8、Nakhodka号油船装载19000吨燃料油在日本海域遇到风暴折断成两半；2000年，GreenAlesund号在Haugesund附近搁浅沉没使得海洋环境在遭重挫。由此可见，双壳油船发生搁浅事故，不仅让船东和货主蒙受巨大损失，而且将会导致大面积海域污染。可以看出，为防止船舶搁浅事故的发生，虽然IMO对SOLAS公约和STCW公约进行了一系列修正和改革并实施ISM规则和PSC检查，但每年搁浅事故还会持续不断的出现，重大的搁浅事故发生还会发生，并造成重大损失，而且船舶发生触礁搁浅事故呈上升的趋势。无论是从造成损失的严重性、发生的频率等角度来说，都应该获得人们的关注和研究。本文将在前人的基础上研究
9、锥形、台形、球形礁石形状对双壳油船搁浅的影响，获得不同类型礁石对双壳油船搁浅影响的一般性规律。1.2 国内外研究现状船舶的搁浅问题需要对多方面问题进行分析，而且搁浅本身又是一种强非线性现象，因而研究难度较大。国内外对其研究虽然不多，但每年都有所增加，表明研究者们对船舶搁浅十分关注，因为每次灾难发生都会引起强烈反映，要求积极采取措施，防止类似事件再次发生。Wierzbicki(1995)2研究钝形物切割金属板时提出了金属板的形变模式和简化的理论方法，得到求解板的抵抗力和折叠波长的闭合解，随后Ohisub与Wang3给出切割板的上限解。Kitamura4对大比例模型搁浅试验进行了数值仿真模拟，采用
10、Motora等人提出的船舶附加质量和波浪阻尼的计算方法，油船在搁浅过程中的主要运动分量为纵摇、垂荡和纵荡，Kuroiwa5提出了基于切片法的船舶搁浅有限元模型，并且对发生于1975年的单壳油轮搁浅事故进行数值模拟，该油轮以12节的速度搁浅，造成底部180米长的破裂，数值模拟损伤形式与观察的损伤吻合得较好，破裂长度为192米。Paik和wierzbieki6将九种现有的板撕裂的解析或经验公式与试验进行了对比，simonsen和wierzbieki7研究了准静态下韧性金属板被有限宽度楔形物切割的问题，代表了船舶底部被礁石撕裂的碰撞场景，他们提出的公式没有考虑动态特性，如果要应用到实际尺度的切割问题
11、或者船舶搁浅问题时，现有的分析模型至少需要考虑应变率效应。Simonsen8-9提出一系列圆锥形礁石撕裂船底板的接触力解析表达式，并给出了各个构件抵抗力的闭式表达式，包括内外底板、纵骨、纵析、纵舱壁以及肋骨板和横舱壁，他考虑了塑性大形变以及摩擦断裂的影响，并假定构件交叉点在整个形变阶段保持完整，并且通过实例计算验证了建立的模型的有效性。Card10首次进行了搁浅事故的统计工作。Minorsky的经验公式被Vanghan11运用至船舶搁浅领域，他假设体积能量与表面能量分别为船舶搁浅吸能的两部分，并通过试验得出能量比例系数。然而他在试验过程中忽略了很多因素，因此得到的经验公式和Minorsky的相
12、差不大。Vanghan提出从实验研究来估算厚度为1.9mm船底钢板在搁浅过程中撕裂所需要能量，并且通过对实验数据的分析得出用来估算LNG船搁浅损伤的经验公式。Jolles12在Vanghan的基础上进一步研究厚度为6.1mm的船底钢板在船舶搁浅形变过程中造成的能量损失，并且通过对实验数据的分析再一次得到了计算搁浅所需能量的经验公式。Kavlie与Amdahl13对1/5缩尺的双层船底结构进行了垂直搁浅实验与数值模拟。Simonsen在考虑摩擦、大塑性形变及断裂之后提出了一组用来计算圆形礁石船底响应及形变的表达式14，为了验证其理论的正确性，后来在美国海军水面作战中心进行了四次大尺度的试验15。
13、Zhang和Perdersen16分析了大量船舶搁浅和碰撞事故损失的数据，评估了船舶材料与尺寸等结构设计对搁浅与碰撞的影响，结果说明搁浅与碰撞的相对损伤长度受到船舶尺寸的影响。Zhu等17在Lloye的统计调查报告与损伤数据基础上，将半经验公式与应用理论模型相结合，评估了船舶搁浅的损伤范围，得到滚装船发生搁浅事故后损伤长度的分布情况，同时提出船底与圆锥形礁石发生搁浅撕裂情形下结构抵抗力的评估方法。高震18将船舶搁浅非线性有限元仿真计算分析的结果与两次船舶搁浅实地试验的结果进行比较，证明了非线性有限元显式积分法适用于船舶搁浅问题的研究。日本ASIS协会在国际船舶结构大会报告19中报告了他们于19
14、93年进行的大量船舶搁浅试验。2004年至2006年，王自力与刘峰20-23做了基于Simonsen假设的船舶高能搁浅外部动力学的数值仿真，并提出对应的简化计算公式，同时分析船舶双层底在高能搁浅情况下的损伤特性，提出Y-Floor新型抗搁浅结构。王自力和李江涛24做了关于船舶搁浅于刚性斜坡上的数值仿真研究。陈志坚25计算了小水线面双体船的搁浅强度。Samuelides等26对圆锥型礁石撕裂双壳船底的现象进行模拟研究，分析了边界条件和网格大小等因素对接触力造成的影响，证明纵桁的褶皱形变现象在细网格下更加明显。Simonsen等27利用非线性有限元数值仿真分析结果和全尺度模型试验的结果数据，提出一
15、个新的半经验公式，可以利用该公式预测船舶搁浅损伤，并利用该损伤数据来定义冲击速度、损伤范围的高度和宽度和搁浅位置等不同的冲击场景。1.3 本文工作内容双壳油船搁浅的过程中，由于船体的材料和结构会发生较大的位移和形变，故双壳油船搁浅是一个强非线性问题，因此想要获得一个精确的解析解几乎是不可能的，本文将在前人研究的基础通过ANSYS软件建立双壳油船搁浅的有限元模型，并将礁石分为锥形、球形、台形三类，通过数值模拟计算，获得不同类型礁石对双壳油船搁浅影响的一般性规律。本文具体的工作内容如下：（1）简述双壳油船搁浅研究有重要的实际意义并对船舶搁浅领域的研究现状做简要介绍；（2）阐述船舶搁浅的基本理论；（3）应用ANSYS建立双壳油船搁浅的简化模型；（4）采用非线性有限元分析方法对双壳油船搁浅于不同形状礁石下做求解运算，并对模拟得出的数据进行比较从而得出一般性结论；（5）总结全文。第2章 船舶搁浅的基本理论2.1 搁浅运动方程及求解方法本文在分析时采用适用于求解瞬时动态变化问题的有限元求解方法25显示积分法对常微分方程组进行求解，得到搁浅船舶的运动方程：(2.1)式中，M是质量矩阵；C是阻尼矩阵；K是刚度矩阵；a是加速度矢量；v是速度矢量；k是位移矢量；Fes是外力矢量。将方程(2.1)进行显式动力
