超大型油船在冲滩事故中的损伤性能研究
摘 要摘 要国际航运的发展及海上石油的开发使得现代油船超朝着大型及超大型的方向发展，目前油船基本已达到几十万吨级的级别。在油轮在变得越来越大的同时，海上石油运输安全事故也时有发生。油船事故的后果是灾难性的，它在造成巨大经济财产损失、人员伤亡的同时，对环境也会造成非常严重的污染。海上石油泄漏对海洋环境及海洋生物的损害是毁灭性的。而碰撞与搁浅是油船事故的主要事故原因，为了在船舶碰撞与搁浅中尽量减少结构的变形与失效，对这一方面的研究就显得尤为重要。通过对船舶碰撞与搁浅进行深入研究，可以对以后的油船结构设计提供一定参考。本课题基于有限元分析软件ABAQUS，选取典型的搁浅场景，对159000DWT油船的软搁浅性能进行仿真模拟及分析计算，研究油船软搁浅的损伤变形特性。通过系统分析不同搁浅参数下船体结构的损伤变形，搁浅载荷，能量吸收情况等参数，全面分析其碰撞性能。本文的主要内容如下：归纳整理了船舶搁浅的研究背景，国内外的研究现状，明确了本课题的研究方法和研究意义。通过有限元分析软件ABAQUS，以某一舱段为研究对象，选取典型的搁浅场景进行仿真计算，分析舱段结构的变形、吸能、碰撞力等性能参数，在此基础上，全面分析其碰撞性能。关键词：搁浅；超大型油船；数值仿真，损伤变形目 录
第一章 绪论 1
1.1. 引言 1
1.2. 国内外研究现状 1
1.3研究目的及意义 2
1.4主要研究内容 3
1.5小结 3
第二章 基本理论介绍 4
2.1船舶软搁浅基本理论 4
2.2 ABAQUS简介 4
2.3 土壤D-P模型简介 5
第三章 模型及典型场景设计 7
3.1船体主尺度及舱段模型 7
3.1.1 船舶主尺度 7
3.1.2 舱段模型 8
3.2 土壤参数及土层模型 10
3.2.1 土壤参数 10
3.2.2 土层模型 11
3.3网格划分 13
3.4计算时间 13
3.5速度场 14
3.6小结 14
第四章 数值仿真结果及分析- 15
4.1典型场景
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
主尺度 7
3.1.2 舱段模型 8
3.2 土壤参数及土层模型 10
3.2.1 土壤参数 10
3.2.2 土层模型 11
3.3网格划分 13
3.4计算时间 13
3.5速度场 14
3.6小结 14
第四章 数值仿真结果及分析- 15
4.1典型场景仿真结果及分析小结 15
4.2不同搁浅场景下的对比 30
4.2.1不同垂向速度下的结果与分析 30
4.2.2不同水平速度下的结果与分析 42
4.3小结 55
第五章 结论与展望 56
5.1结论 56
5.2展望 57
致 谢 58
参考文献 59
第一章 绪论
1.1. 引言
近年来，随着航运事业的快速发展，水上交通变得日益繁忙，船舶搁浅风险显著增大，特别是对于大型油船、LNG船和化学品船来说，由搁浅而引发的后果是难以接受的。船舶搁浅不仅给国家社会造成了巨大的经济损失，而且同时还给海洋环境造成严重的破坏，引发了严重的海上环境污染。如今全球每年发生的船舶事故的数目逐步增加，而根据船级社的有关分析统计，在各种原因导致的船舶海上交通事故中，船舶搁浅和碰撞占据了全部事故总数的50%左右。除此之外，还有相关研究表明,因油船海上交通事故导致的海洋环境污染的原因中，船舶搁浅和碰撞占据了全部事故总数的70%左右。由此可见，船舶搁浅和碰撞事故一直在海上交通事故中占据着较大比重，伴随着船舶制造技术的不断发展以及人们对经济效益的追求变得越来越高，油船的吨位正朝着大型化发展，船舶航速也变得越来越快，由船舶搁浅引发的环境污染也变得特别棘手与难以根治。对于超大型油船的进行搁浅分析，提高船舶的抗搁浅能力，也变得日益迫切。
所以，对船舶搁浅这一课题进行研究是具有十分重要意义的，它不仅可以减轻船舶搁浅事故对海洋环境造成的污染、保证船舶工作人员的生命财产安全，还有助于人们对船舶发生搁浅事故时船体的受力变形过程有一定了解，以便于以后优化设计以减少船舶在发生搁浅时的损伤。
本课题从船体结构的角度出发，对现有船底结构展开研究，探索相关提高抗搁浅性能的措施及方法，研究油船在冲滩事故中的损伤，对以后的超大型油轮的结构与性能设计提供一定的参考价值。
1.2. 国内外研究现状
船舶搁浅的过程是当船舶向前航行时障碍物使底部向内挠曲或进入和切割结构。沿船舶的变形取决于底部贯入海底的阻力以及船舶的水动力稳定性。碰撞力的垂直分量引起垂荡和纵摇。船底板与海底的摩擦也消耗一部分能量。如果发生破裂，会导致船舶运动时障碍物开始切割外板，引起割伤,问题就会变得十分复杂。如果船舶搁浅后停留在障碍物上，长时间内可能引起进一步损伤。因此，要分别初始搁浅、割伤和搁浅后损伤等情况研究。人们搁浅问题的研究起步很晚，但随着船舶的大型化和高速化的发展，浅水区域的范围也相对地增大，航行船舶的搁浅事故也不断发生，人们开始关注这一问题。Card进行了首次搁浅统计调查。Vaughan将Minorsky的经验公式推广到船舶搁浅的情况。Amdahl和Kavlie进行了1/5缩尺双层底结构垂直搁浅试验和数值模拟。Paik和Lee介绍了一系列楔块切割加筋板的小缩尺试验。Vredveldt和Wevers报道了三次1/4缩尺油船双层底结构搁浅试验[1]。总的来说，目前的研究方法可以归纳为数值计算方法，实验分析，统计分析，结构破损后的能力研究等。
随着电子技术的飞速发展，数值仿真在搁浅中越来越多的得到应用，Kuroiwa在切片理论基础上，建立了船舶的有限元模型，将数值仿真的结果与实际搁浅相比较，其结果与实际情况吻合的很好，在国内，刘毅[2]等人采用等效板厚法对油船搁浅有较大面积碍航物的问题进行了数值模拟，李江涛与王自力[3]进行了船舶搁浅在刚性斜坡上的数值模拟计算。
目前，船舶碰撞和搁浅研究正处于一个高峰时期，尚有许多问题需要解
决。世界上主要造船国家都已经开展了相当程度的研究工作，而我国在这方面却相对空白，为了适应我国越来越繁忙的航运业，我国也应加强这方面的研究工作，以适应将来对船舶性能越来越高的要求。
目前存在问题：
船舶在搁浅过程中右大量的非线性现象，其受到的载荷与其他载荷不同，是一个偶然性的载荷，在结构设计时考虑这些偶然性载荷则存在众多不确定因素，所以船舶搁浅是一个很复杂的问题，尤其是由于起步晚，问题难，如今很多问题值得深入研究。例如：
对偶然性载荷的许多相关问题至今还没得到有效的解决
耐撞性结构设计
面向设计的船舶碰撞和搁浅分析
耐撞性结构设计摩擦和货舱中液体对碰撞和搁浅性能的影响
破损船体剩余强度评估
解决这些问题对以后的船舶结构设计有重大的指导意义。
1.3研究目的及意义
本课题通过对超大型油船的载货舱段的有限元软件建模及仿真模拟，尽可能简洁而真实的模拟出从船舶软搁浅时的运动状态及损伤变形，得出舱段上关键位置随着搁浅进程的推移时各个关键物理量如碰撞力、变形、吸能等的变化曲线，得出相应的结论。使得在以后的船舶结构设计与建造中作出相应的改进，提高油船在营运过程中的安全系数，保障国家与个人的生命财产安全，同时减少不必要的海洋环境污染。
另一方面，由于在冲滩中船舶损伤并不严重或没有可见的破裂和严重变形，一般船东会继续将该船投入商业运营。所以，进行油船冲滩模拟可以对其冲滩后的剩余强度有一定的了解，指导修船厂在维修过程中作相应的加强，并且在该船的以后营运过程中出现适航条件的一系列改变，如航区或航道，载货的变化，压载的变化等等。
1.4主要研究内容
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第一章 绪论 1
1.1. 引言 1
1.2. 国内外研究现状 1
1.3研究目的及意义 2
1.4主要研究内容 3
1.5小结 3
第二章 基本理论介绍 4
2.1船舶软搁浅基本理论 4
2.2 ABAQUS简介 4
2.3 土壤D-P模型简介 5
第三章 模型及典型场景设计 7
3.1船体主尺度及舱段模型 7
3.1.1 船舶主尺度 7
3.1.2 舱段模型 8
3.2 土壤参数及土层模型 10
3.2.1 土壤参数 10
3.2.2 土层模型 11
3.3网格划分 13
3.4计算时间 13
3.5速度场 14
3.6小结 14
第四章 数值仿真结果及分析- 15
4.1典型场景
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
主尺度 7
3.1.2 舱段模型 8
3.2 土壤参数及土层模型 10
3.2.1 土壤参数 10
3.2.2 土层模型 11
3.3网格划分 13
3.4计算时间 13
3.5速度场 14
3.6小结 14
第四章 数值仿真结果及分析- 15
4.1典型场景仿真结果及分析小结 15
4.2不同搁浅场景下的对比 30
4.2.1不同垂向速度下的结果与分析 30
4.2.2不同水平速度下的结果与分析 42
4.3小结 55
第五章 结论与展望 56
5.1结论 56
5.2展望 57
致 谢 58
参考文献 59
第一章 绪论
1.1. 引言
近年来，随着航运事业的快速发展，水上交通变得日益繁忙，船舶搁浅风险显著增大，特别是对于大型油船、LNG船和化学品船来说，由搁浅而引发的后果是难以接受的。船舶搁浅不仅给国家社会造成了巨大的经济损失，而且同时还给海洋环境造成严重的破坏，引发了严重的海上环境污染。如今全球每年发生的船舶事故的数目逐步增加，而根据船级社的有关分析统计，在各种原因导致的船舶海上交通事故中，船舶搁浅和碰撞占据了全部事故总数的50%左右。除此之外，还有相关研究表明,因油船海上交通事故导致的海洋环境污染的原因中，船舶搁浅和碰撞占据了全部事故总数的70%左右。由此可见，船舶搁浅和碰撞事故一直在海上交通事故中占据着较大比重，伴随着船舶制造技术的不断发展以及人们对经济效益的追求变得越来越高，油船的吨位正朝着大型化发展，船舶航速也变得越来越快，由船舶搁浅引发的环境污染也变得特别棘手与难以根治。对于超大型油船的进行搁浅分析，提高船舶的抗搁浅能力，也变得日益迫切。
所以，对船舶搁浅这一课题进行研究是具有十分重要意义的，它不仅可以减轻船舶搁浅事故对海洋环境造成的污染、保证船舶工作人员的生命财产安全，还有助于人们对船舶发生搁浅事故时船体的受力变形过程有一定了解，以便于以后优化设计以减少船舶在发生搁浅时的损伤。
本课题从船体结构的角度出发，对现有船底结构展开研究，探索相关提高抗搁浅性能的措施及方法，研究油船在冲滩事故中的损伤，对以后的超大型油轮的结构与性能设计提供一定的参考价值。
1.2. 国内外研究现状
船舶搁浅的过程是当船舶向前航行时障碍物使底部向内挠曲或进入和切割结构。沿船舶的变形取决于底部贯入海底的阻力以及船舶的水动力稳定性。碰撞力的垂直分量引起垂荡和纵摇。船底板与海底的摩擦也消耗一部分能量。如果发生破裂，会导致船舶运动时障碍物开始切割外板，引起割伤,问题就会变得十分复杂。如果船舶搁浅后停留在障碍物上，长时间内可能引起进一步损伤。因此，要分别初始搁浅、割伤和搁浅后损伤等情况研究。人们搁浅问题的研究起步很晚，但随着船舶的大型化和高速化的发展，浅水区域的范围也相对地增大，航行船舶的搁浅事故也不断发生，人们开始关注这一问题。Card进行了首次搁浅统计调查。Vaughan将Minorsky的经验公式推广到船舶搁浅的情况。Amdahl和Kavlie进行了1/5缩尺双层底结构垂直搁浅试验和数值模拟。Paik和Lee介绍了一系列楔块切割加筋板的小缩尺试验。Vredveldt和Wevers报道了三次1/4缩尺油船双层底结构搁浅试验[1]。总的来说，目前的研究方法可以归纳为数值计算方法，实验分析，统计分析，结构破损后的能力研究等。
随着电子技术的飞速发展，数值仿真在搁浅中越来越多的得到应用，Kuroiwa在切片理论基础上，建立了船舶的有限元模型，将数值仿真的结果与实际搁浅相比较，其结果与实际情况吻合的很好，在国内，刘毅[2]等人采用等效板厚法对油船搁浅有较大面积碍航物的问题进行了数值模拟，李江涛与王自力[3]进行了船舶搁浅在刚性斜坡上的数值模拟计算。
目前，船舶碰撞和搁浅研究正处于一个高峰时期，尚有许多问题需要解
决。世界上主要造船国家都已经开展了相当程度的研究工作，而我国在这方面却相对空白，为了适应我国越来越繁忙的航运业，我国也应加强这方面的研究工作，以适应将来对船舶性能越来越高的要求。
目前存在问题：
船舶在搁浅过程中右大量的非线性现象，其受到的载荷与其他载荷不同，是一个偶然性的载荷，在结构设计时考虑这些偶然性载荷则存在众多不确定因素，所以船舶搁浅是一个很复杂的问题，尤其是由于起步晚，问题难，如今很多问题值得深入研究。例如：
对偶然性载荷的许多相关问题至今还没得到有效的解决
耐撞性结构设计
面向设计的船舶碰撞和搁浅分析
耐撞性结构设计摩擦和货舱中液体对碰撞和搁浅性能的影响
破损船体剩余强度评估
解决这些问题对以后的船舶结构设计有重大的指导意义。
1.3研究目的及意义
本课题通过对超大型油船的载货舱段的有限元软件建模及仿真模拟，尽可能简洁而真实的模拟出从船舶软搁浅时的运动状态及损伤变形，得出舱段上关键位置随着搁浅进程的推移时各个关键物理量如碰撞力、变形、吸能等的变化曲线，得出相应的结论。使得在以后的船舶结构设计与建造中作出相应的改进，提高油船在营运过程中的安全系数，保障国家与个人的生命财产安全，同时减少不必要的海洋环境污染。
另一方面，由于在冲滩中船舶损伤并不严重或没有可见的破裂和严重变形，一般船东会继续将该船投入商业运营。所以，进行油船冲滩模拟可以对其冲滩后的剩余强度有一定的了解，指导修船厂在维修过程中作相应的加强，并且在该船的以后营运过程中出现适航条件的一系列改变，如航区或航道，载货的变化，压载的变化等等。
1.4主要研究内容
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