船舶结构碰撞试验及简化数值计算方法

本文网址：http://www.ship-research.com/cn/article/doi/10.19693/j.issn.1673-3185.03193 期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：卢安格,王子棠,孔祥韶, 等.船舶结构碰撞试验及简化数值计算方法[J]. 中国舰船研究, 2024, 19(2): 128–139. LU A G, WANG Z T, KONG X S, et al. Ship structure collision experiments and simplified numerical calculation method[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2024, 19(2): 128–139 (in Chinese).

卢安格1，王子棠1，孔祥韶*1，李樱2，陈三桂2，吴卫国3 1武汉理工大学船海与能源动力工程学院，湖北武汉430063 2中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064 3武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心，湖北武汉430063

摘要:［目的］采用流固耦合计算方法虽能较好地模拟船舶碰撞过程，但计算时间较长，为此，提出一种简化的数值计算方法。［方法］以某船的局部舱段为对象，开展多工况水上碰撞试验。采用力传感器和基于高速摄影技术非接触测量的方法获得到碰撞力及碰撞船的运动时程数据，通过对碰撞接触力和加速度响应等数据进行分析，并针对试验过程开展任意拉格朗日−欧拉（ ALE）流固耦合数值计算分析，提出将碰撞过程中水域对撞击船的影响简化为等效质量，将对被撞船的影响简化为等效阻力，以面力的形式作用于被撞船非撞击侧用以阻碍被撞船运动的简化方法，然后基于此简化方法开展不涉及水域与结构耦合过程的数值计算。［结果］结果显示，采用简化计算方法得到的各工况的碰撞力峰值与试验值间的误差均在5%以内，且该方法所需要的计算时长远小于ALE流固耦合算法。［结论］所提简化数值计算方法可为实现船舶结构碰撞响应的高效计算提供一定的参考。关键词：模型试验；数值仿真；碰撞响应；任意拉格朗日−欧拉流固耦合中图分类号: U661.43文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.03193

Ship structure collision experiments and simplified numerical calculation method

LU Ange1, WANG Zitang1, KONG Xiangshao*1, LI Ying2, CHEN Sangui2, WU Weiguo3

1 School of Naval Architecture, Ocean and Energy Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China

2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China

3 Green & Smart River-Sea-Going Ship Cruise and Yacht Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China

Abstract: ［ Objectives］Although the fluid-structure interaction calculation method can better simulate the ship collision process, it requires a longer calculation time. To address this problem, a simplified numerical calculation method is proposed. ［Methods］The local cabin section of a ship is taken as the object to carry out water collision experiments under various operating conditions. Force sensors and non-contact measurement based on high-speed photography technology are used to obtain the collision force and motion time history data of the ship. The collision contact force and acceleration response data are then analyzed, and arbitrary Lagrange−Euler (ALE) coupled fluid-solid numerical computational analysis is carried out on the experimental process. The effect of the water on the impacting ship in the collision process is then simplified to the equivalent mass, and the effect on the impacted ship is simplified to the equivalent resistance, which acts on the non-impacting side of the impacted ship in the form of surface force to hinder the movement of the impacted ship. Numerical calculations that do not involve the water-structure coupling process are then carried out on the basis of the simplified method. ［Results］The results show that the errors between the peak collision force and the experimental values for each condition obtained by the simplified calculation method are within 5%, and the calculation time required by this method is much smaller than that of the ALE fluidstructure interaction algorithm ［ Conclusions］ The proposed simplified numerical calculation method can provide useful references for realizing the efficient calculation of ship structure collision response.

Key words: model test；numerical simulation；collision response；arbitrary Lagrange−Euler (ALE) fluidstructure interaction

收稿日期: 2022–11–24 修回日期: 2023–01–19 网络首发时间: 2023–04–04 10:37

基金项目: 国家自然科学基金资助项目（52171318）

作者简介: 卢安格，男，1997 年生，硕士。研究方向：舰船抗爆抗冲击。E-mail：luange@whut.edu.cn孔祥韶，男，1983年生，博士，教授。研究方向：舰船爆炸毁伤与防护。E-mail：kongxs@whut.edu.cn *通信作者:孔祥韶

0 引 言

船舶结构在受到碰撞载荷作用时的动态响应过程复杂，涉及到材料结构的弹塑性变形乃至断裂失效等强非线性问题[1-2]；同时，船体周围水域也会对碰撞过程中结构的响应产生显著影响，故很难采用理论分析模型来得到准确的响应规律。在船舶碰撞过程中，为了探究周围水域对其[3]的影响，采用流固耦合计算方法 能够较好地模拟碰撞过程，但要花费大量的计算时间。另一种常用的方法是，认为在碰撞过程中周围水域由于其黏性会粘附在撞击船和被撞船上，然后以惯性力的方式影响碰撞结构的运动过程，其在数值计算中是以附加质量的方式进行简化模拟[4]，但想要精确计算碰撞过程中的附加质量值，非常困难。Minorsky[5] 最早将附加质量概念引入船舶碰撞问题研究中，但其提出的公式存在应用范围小的局限性。随后，Brown[6] 对 Minorsky 的方法进行改进，扩大了经验公式的应用范围，解决了碰撞位置、碰撞角度和碰撞速度的任意性问题，提高了计算精度。Motora 等 指出附加质量在碰撞过[7]程中是随时间不断变化的，不能用常量来表示，横漂运动的附加质量变化范围为船体质量m

40%～ 130%，进退运动的附加质量变化范围为船体质量m的 2%～ 7%。Blok 等[8] 根据动量和能量

提出了 2种不同的等效附加质量，并研究了碰撞结构的刚度对附加质量的影响。王自力等[9-10] 分析讨论了应用附加质量模型来简化运动周围流体的影响，其中附加质量根据经验公式选取，以附加质量密度的形式增加到运动船体上。谭忠华[11]采用木质船模试验和数值仿真的方法，研究了周围水域对船舶碰撞中最大碰撞作用力的影响，认为周围流场由于阻尼效应阻碍了碰撞运动，这在一定程度上降低了接触力的大小，降低范围约2%～ 8%。叶剑平等[12]对比分析了增加质量密度和增加质量点这2种附加质量施加方式，发现采用增加质量点这种方式的计算结果与流固耦合方法更接近。张娅[13]结合经验公式方法的应用范围，提出了一种同时考虑流体定常阻力和流体惯性力的新的附加质量模型。Song等[14-15] 在研究船舶的碰撞响应时，是采取将被撞船周围的流场融入仿真、撞击船采用附加质量的处理方式。如何准确并定量描述，或者说模拟碰撞船体周围流体介质的作用，是研究船舶碰撞问题的主要难点之一。目前，针对船舶碰撞中的附加质量问题已有大量研究，主要以经验公式为主，试验研究相对较少。因此，本文拟以某船的局部舱段为研究对象，开展多工况水上碰撞试验，并针对试验过程开展流固耦合数值计算，通过与试验数据进行对比分析，验证数值计算方法的可靠性和精度。然后，在此基础上提出将碰撞过程中水域对撞击船的影响简化为等效质量，将对被撞船的影响简化为等效阻力，以面力的形式作用于被撞船非撞击侧用以阻碍被撞船运动的简化方法。最后，基于此简化方法开展不涉及水域与结构耦合过程的数值计算，通过与试验数据和流固耦合方法结果进行对比，验证简化计算方法的适用性，为实现船舶结构碰撞响应高效计算提供一定的参考。

1 模型试验概述1.1 试验装置

选取某舰船的部分舱段作为水上碰撞试验的被撞船模型。该舱段位于舰船中部，其结构原型的主要参数如表1所示。该舱段共5层甲板，内部包括一个核心舱室。基于原型的结构尺寸及布置形式，在保证试验结果合理性以及可靠性的前，考虑缩比模型中舷侧板、甲板以及舱壁板厚的选取，并按 1:6的缩尺比进行设计。试验模型的舷侧外板为加筋板结构，对碰撞区域外板结构上的肋骨进行比例设计，而球扁钢形式的舷侧纵骨则以质量等效方式计入舷侧板厚上，其质量等效公式为根据该型舰船舱室设备布置的特性，通过调整压铁的布置来确保试验模型的浮态与实际结构一致。对试验模型的水下部分采用满焊焊接方式，并进行水密处理。考虑到舱段模型整体的边界约束，往舱段的两边分别延伸了一个横梁跨

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