基于耐撞性的船舶结构形式研究

摘 要：随着近年来海上船舶碰撞事故的频繁发生，如何分析事故发生原因并寻找相应预防方法成为许多学者研究的重要内容。从很多船舶相撞事故现状都可看出，其存在的危害不仅体现在船只受损或沉没等方面，也会影响人员生命安全或导致环境污染问题等。对此现状，大多学者在研究中发现从船舶结构方面着手，通过防撞能力的增强可有效降低碰撞事故带来的危害。本文主要对关于船舶碰撞问题的仿真模型构建、碰撞产生的机理以及耐撞性结构的设计思路进行探析。

关键词：耐撞性；船舶结构；机理；设计

前言：据相关数据统计表明，全球大约40%海难事故发生的原因在于船舶碰撞，成为制约海洋运输事业进一步发展的重要因✍素。因此如何解决船舶碰撞问题成为国际上大多设计人员与学者考虑的重要内容，通过长期试验发现碰撞事故容易受损的部位主要集中在双层舷侧结构、底部结构等方面，只需将这些结构进行耐撞能力的提高便可起到一定的事故预防效果。

一、关于船舶碰撞问题的仿真模型构建

根据以往学者研究，对船舶碰撞涉及才相关数据往往引用一定的仿真技术，其中包括如有限元方法、相关方程的构建以及仿真过程中材料与摩擦问题对碰撞事故的影响等。综合来看在在仿真模型构建过程中主要从两方面考虑，其一以外部动力学为主，主要关注船舶受力情况、运动状态以及能量消耗问题，模型构建过程中需将附连水质量、船壳板材料等考虑其中。其二内部力学，集中分析船体碰撞礁石情况下局部的受力情况、损伤情况以及能量消耗等问题，模型构建时主要以外部轮廓模型为主，使仿真中船舶的运动惯量以及质量与实体船舶的运行相近，在此基础上提出结构改进的方式。在模型构建的基础上，实际研究过程中还需考虑到其他几方面问题，具体体现在：第一，结构简化问题。其主要针对工作量较大且较为复杂的有限元模型而提出，使一般碰撞模型中两个相撞的船只在舷侧与船首结构上得以优化，而搁浅模型下的整体船舶结构得以简化，并碰撞情况下对船体受损情况与塑性变形进行分析。第二，对穿透情况与构建模型的检查。其中在穿透方面主要考虑到接触面相关定义，通过对碰撞情况的观察分析结构的表形情况以及是否存在穿透问题等，而模型的检查则体现在所有节点中载荷的设计是否合理、单元长度设计是否合理、材料参数以及仿真输出结果是否准确等。这样才可结合最后的仿真输出结果找出产生碰撞事故的主要原因并提出相应的解决措施[1]。

二、碰撞事故发生的机理分析

通过构建的仿真模型，可分析船舶碰撞事故大多体现在船只与固体物以及船只之间的碰撞。与固体物碰撞过✞程中主要指海洋中的礁石、海洋平台或桥梁等固体物与船舶之间的碰撞，由于大多船舶在刚度上无法与固体物相比，所以产生的能量多由船舶结构所承受，这种情况下将对船舶带来极大的危害，也有部分固体物受损的情况如平台坍塌或桥梁被破坏等情况，会产生较大的损失。另外一种则指船舶之间的碰撞，这种碰撞问题的情况多表现在被撞船只的船侧受另一船只的船首撞击，因船侧刚度相比船首刚度较小，因此产生的能量大多由船侧结构承受，此时受损情况较为严重的主要以被撞船侧为主。综合来看，产生船舶碰撞事故的机理主要表现在内部与外部机理两方面。其中内部机理主要指事故发生过程中的荷载问题、结构整体受损情况与变形情况以及碰撞能量吸收问题，而外部机理体现在因附连♂水与船体运动而出现的能量转化或释放问题等。从以往研究内容中可发现，附连水质量通常与液体运动方向存在一定的联系，其主要指船♀舶碰撞过程中因具有一定粘性的液体物质。一般进行附连水质量确定时首先依据船体质量设定附连水质量为其0.4-1.3，此时附连水质量将随碰撞时间的延长而增大[2]。

三、耐撞性结构设计的思路

在完成仿真模型构建以及事故发生机理的分析后，可对船舶的结构进行耐撞性的设计，具体包括：第一，双壳船侧结构。该种结构是目前大多大型油流所采取的优化设计措施，其在现行国外许多国家都有所体现，不仅能够减少事故发生的概率，也可使事故后严重的污染问题得以缓解。这种结构设计过程中主要考虑能量吸收较多的构件如船侧纵桁、外板等，其中在外板方面可引入扁平条或圆管型等类型的外板，并从双壳间构件着手，使船侧结构型式以Y型为主，这样能够保证在撞击过程中船侧结构可承受更多的能量等。但需注意任何船侧结构设计方式若忽视结构重量的增加，可能在吸能效果上与传统船侧结构形式相近，不利于新型船侧结构应有的作用得以发挥。因此设计中在∞考虑吸能效果的同时还需将结构重量问题进行研究。第二，底部结构的设计。现阶段在底部结构设计方面已有许多设计思路，包括：①从变船底高度角度。其主要针对船首触底可能性较大的情况而提出，通过将船首部分进行双层底高度的设计，使其抗触底性能得以增强，但这种设计方式往往已造成结构疲劳性能受到影响的问题；②船底结构的具体设计。该种方式主要对船体的助板、纵桁以及外板等进行设计，保证其可使底部结构在抗抵触性方面得以增强，但通过实践证明该结构类型通过结构重量的增加便可提高吸能效果，但夹层板形式却难以实现良好的效果。除此之外，为使船舶耐撞性能得以提高，也有学者从缓冲船首、桥梁防撞设施等方面着手，都可发挥一定的效果[3]。

结论：船舶结构耐撞性能的提高是有效预防碰撞事故的关键。实际设计过程中应从仿真模型的构建着手，在此基础上分析事故发生的内部与外部机理，并采相应的措施如变船底高度、底部结构设计以及缓冲船首等方面进行设计，这样才可保证船舶的安全运行。

参考文献

[1]刘峰.基于耐撞性的新型船舶结构形式研究[D].上海交通大学，2010.

[2]王栋梁.基于耐撞性的船桥碰撞防护装置的结构优化研究[D].武汉理工大学，2013.

[3]陈炉云，侯国华，张裕芳.小型快艇结构耐撞性研究[J].中国舰船研究，2012，05：27-32.