双壳油船碰撞结构损伤数值研究及液货泄漏量分析

摘要

船舶碰撞是指船舶在可航水域发生接触而造成损害的事故，它所造成的后果往往是灾难性的。现阶段许多国家的研究员都在试图寻找研究避免船舶发生碰撞事故的方法。近年来，致使船舶碰撞事故不断发生的主要原因为人为因素的不可避免性。从船舶结构的角度而言，基于船舶碰撞安全性的考虑，船舶结构存在着许多改进和革新的余地，然而改变船舶结构需要通过大量的模拟实验及实船验证，不仅所需时间长且需要耗费大量的人力物力财力。因此，为避免船舶碰撞，本文考虑从控制船舶航速来探寻避免或降低船舶碰撞事故后果的方法。
　　 在确定参与碰撞的船舶类型后，首先应用数值仿真方法对撞击参数（碰撞角度、位置、初速度等）的影响进行了比较研究，并对构件的损伤模式和吸能特性进行了细致的分析，并获得了舷侧结构碰撞力、结构吸能、损伤变形随位移变化的曲线，从而给出具有指导意义的一般性结论:球鼻突出型船艏对被撞击船所造成的危害甚为严重;相撞船舶吨位、撞击初速速度、初始动能越大则对被撞击船的损害越大;垂直对中碰撞对被撞击船造成的损害是其它碰撞角度无法比拟的;除上述之外，撞击位置微小的改变将导致被撞击船整个舷侧结构破裂失效的时机发生明显的改变。
　　 基于撞击参数对船舶碰撞性能的影响，本文从定量化的角度考虑，对不同吨位双壳油船和散杂货船之间的碰撞进行了大量的数值实验，经研究表明:撞击角及相撞船舶吨位越大，导致被撞击船内外壳破裂所需的撞击船临界速度越小，通过对仿真结果的分析研究最终提出了撞击船致被撞击双壳油船内外壳破裂的撞击船临界速度计算公式。
　　 一旦对船舶航速控制失效，导致被撞击双壳油船内壳破裂造成液货泄漏时，本文采用Fluent中的VOF模型以及压力速度耦合的PISO算法来模拟三维条件下的具有自由液面、互不相溶、油-水-气三相不可压缩的非定常流动。
　　 为更好地对双壳油船液货泄漏过程进行描述，本文首先通过物理实验，根据油面、水面及距离裂口高度等因素对液货泄漏过程进行观察研究，随后针对物理实验设计三组数值实验，并将二者所得过程及结果进行比对，通过对比可知，数值计算所得液货泄漏过程、泄漏时间及进入货油舱中水的高度与实验结果基本吻合，这说明采用Fluent软件进行双壳油船在平静海面上的泄漏过程的数值计算是可行、可信的，能够用其做进一步的研究。随后采用Fluent对双壳油船在平静海面上的泄漏过程进行数值研究，并进行细致的描述，在对结果观察中得知，当油面高于水面时，双壳油船的泄漏量可由内壳裂口高度及货油舱的几何尺寸所决定，即泄漏量=舱长×舱宽×内壳裂口上边缘至舱底垂直距离×液货密度。基于上述分析，本文对物理参数（油品密度、裂口高度、液位差等）对液货泄漏影响的数值实验进行了分析研究，经研究表明，除裂口形状及其面积的变化主要影响泄漏时间外，其它物理参数的改变对泄漏时间及泄漏量的影响均较大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文研究的目的及意义

1．2 船舶碰撞分析解决方法

1．3 船舶碰撞问题的研究现状

1．3．1 外部机理

1．3．2 内部机理

1．4 船舶泄漏量问题的研究现状

1．5 目前计算溢油量的方法

1．6 本文主要工作

第2章 船舶碰撞数值仿真的关键技术

2．1 有限元的发展

2．2 ANSYS／LS-DYNA软件简介

2．3 LS-DYNA3D程序算法基础

2．4 沙漏控制

2．5 显式有限元求解方法

2．6 接触与摩擦

2．6．1 接触的定义

2．6．2 接触——碰撞的数值计算方法

2．6．3 接触——碰撞算法的有限元实现

2．6．4 摩擦力(计算切向接触力)的影响

2．7 材料模型和失效准则

2．7．1 弹塑性流动材料模型

2．7．2 与应变率相关的塑性硬化弹塑性模型

2．7．3 材料失效准则

2．8 本章小结

第3章 船舶碰撞的解析方法及数值仿真模型的建立

3．1 船舶碰撞问题解析法的简介

3．2 目标船的选取

3．3 碰撞情形

3．4 参数定义

3．4．1 选取单元类型

3．4．2 选取模型材料

3．5 建立船舶碰撞的数值仿真模型

3．5．1 模型简化

3．5．2 附加水质量法

3．5．3 建立实体模型

3．5．4 有限元网格划分

3．5．5 模型检查

3．5．6 最小时间步长控制

3．5．7 船舶碰撞数值计算所需输出的结果

3．6 本章小结

第4章 撞击参数对碰撞性能的影响

4．1 船艏形态的影响

4．1．1 船艏分类

4．1．2 碰撞方案

4．1．3 碰撞力

4．1．4 结构吸能

4．1．5 损伤变形

4．2 碰撞角度的影响

4．2．1 碰撞方案

4．2．2 摩擦系数的影响

4．2．3 碰撞力

4．2．4 结构吸能

4．2．5 损伤变形

4．3 撞击位置的影响

4．3．1 碰撞方案

4．3．2 碰撞力

4．3．3 结构吸能

4．3．4 损伤变形

4．4 撞击船初始速度的影响

4．4．1 碰撞方案

4．4．2 碰撞力

4．4．3 结构吸能

4．4．4 损伤变形

4．5 船舶吨位的影响

4．5．1 碰撞方案

4．5．2 碰撞力

4．5．3 结构吸能

4．5．4 损伤变形

4．6 初始动能的影响

4．6．1 碰撞方案

4．6．2 碰撞力

4．6．3 结构吸能

4．6．4 损伤变形

4．7 本章小结

第5章 临界速度与碰撞船吨位及撞击角度的关系

5．1 撞击角与临界速度之间的关系

5．1．1 撞击船不变时撞击角与临界速度的关系

5．1．2 被撞击船不变时撞击角与破裂临界速度的关系

5．2 临界速度与碰撞船吨位之间的关系

5．2．1 外壳破裂临界速度与碰撞船吨位关系

5．2．2 内壳破裂临界速度与碰撞船吨位关系

5．3 临界速度与撞击角及碰撞船吨位之间的关系

5．3．1 公式推导

5．3．2 公式的适用范围

5．4 本章小结

第6章 三相流数值模拟分析的相关理论

6．1 CFD基本原理简介

6．2 Fluent软件的简介

6．3 多相自由界面模型

6．3．1 界面标高法

6．3．2 示踪粒子法

6．3．3 拉格朗日网格法

6．3．4 刚盖假定法

6．3．5 VOF方法及其原理

6．3．6 Fluent中自由界面处理方法

6．4 流体流动的守恒方程

6．4．1 质量守恒方程

6．4．2 动量守恒方程

6．4．3 能量守恒方程

6．5 PISO算法

6．6 本章小节

第7章 液货泄漏的物理实验研究

7．1 实验平台及相关器材

7．2 水-冰实验

7．3 油-水基础实验

7．3．1 油面比水面高

7．3．2 油面与水面齐平

7．3．3 水面毕油面高

7．3．4 实验数据

7．4 裂口距离液位高度变化的实验

7．5 压载舱中载水时的实验

7．5．1 实验方案设定

7．5．2 泄漏过程描述

7．6 本章小结

第8章 数值实验及物理参数对液货泄漏影响的研究

8．1 数值实验验证

8．2 双壳油船泄漏模型的假设及建立

8．2．1 泄漏模型的假设

8．2．2 泄漏模型的建立

8．2．3 设置边界条件

8．3 双壳油船在平静海面上的泄漏过程及结果分析

8．3．1 泄漏过程描述

8．3．2 破口处油品质量流量的计算及分析

8．3．3 泄漏量的计算

8．4 油品密度对泄漏的影响

8．5 裂口高度对泄漏的影响

8．6 裂口面积对泄漏的影响

8．7 裂口形状对泄漏的影响

8．8 油面与海面高度差不同时对泄漏的影响

8．8．1 油面比水面高

8．8．2 水面与油面齐平

8．8．3 水面比油面高

8．9 本章小结

第9章 总结与展望

9．1 工作总结

9．2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介