船舶碰撞的冲击力学和实验论证外文翻译资料

 2022-07-27 15:58:39

英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

船舶碰撞的冲击力学和实验论证

Shengming Zhang 1, R. Villavicencio1, L. Zhu 2, P. Terndrup Pedersen 3

（1. 全球技术中心，Lloyd#39;s Register EMEA，Southampton S016 7QF，UK;2. 武汉理工大学，武汉;3. 丹麦技术大学403号机械工程系，丹麦，丹麦DK-2800）

摘要：1998年Pedersen PT[1]等在Marine Structures[1]中公布了一篇文章，解释了结构变形和破碎的能量的释放分析解和船碰撞期间的冲击脉冲。尽管该方法仅在那时的时域数值模拟结果验证，但是文中所提出的数学模型已经被许多工程师和研究人员使用，。从那时起，模型和全尺寸测量就已有开展，并且在实际领域中获得实验结果。本文的目的是利用这些实验结果进一步分析闭式分析方法的有效性和可靠性，以及进一步提高一些参数的准确性。本文对总共60个实验结果进行分析并对分析结果进行比较。可以得出结论，该分析方法与实验结果保持合理的一致。本文还介绍了一个简单的概念，以解释船舶在船上携带有自由表面的液体的有效质量，并显示如何扩展分析程序，以考虑船舶滚动对释放的能量的影响破碎。

关键词：船舶碰撞、碰撞能量、闭式解决方案、添加质量系数、液体的有效质量、实验结果

说明

船舶碰撞事件是船舶操作中的主要危险。它可能导致人命损失和严重的环境损害。海事界正加大努力，减少船舶碰撞事故的可能性和后果。

为了制定有效的规则和程序来减少与船舶碰撞事件相关的风险，首先需要一个程序来评估在特定海上交通条件下的船舶碰撞事件的概率，其次，对给定的船舶碰撞，则需要一个程序来估计由于船舶碰撞所释放的能量。 知道被结构损伤吸收的能量才能估计撞击和被撞船的结构损坏。

本文给出了一种分析方法，以确定给定的船舶碰撞释放的能量引起的结构损坏。 在船到船碰撞事件中，只有部分初始可用动能在击打船的船首和被击打船的侧面结构的破碎中被消耗。 船舶碰撞的外部动力学分析旨在预测船舶刚性运动和周围水体的影响所造成的塑性变形和船舶结构破裂所吸收的初始动能的损失[1,2 ]。 另一方面，随后的内部力学分析能估计出对船造成的结构损坏[2,3]。

1998年，Pedersen和Zhang [1]开发了用于估计船体结构变形和破碎释放的能量以及船舶碰撞期间的冲击脉冲的闭式解析解。该分析方法限于船舶在水面平面内的运动，适用于任意船舶碰撞，包括不同的碰撞位置和碰撞角度。分析程序基于刚体力学，其中假设对于接触区域外部的变形存在可忽略的应变能量，并且接触区域是局部的。这意味着碰撞可以被认为是瞬时的，并且每个物体被假定在接触点处在另一个上施加冲击力。该模型也考虑了冲击表面之间的摩擦，因此即使风吹过的情况也可以施加上去。在计算开始时，涉及碰撞的船舶可以具有前进和摇摆速度，并且由于船舶的突然加速而产生的流体动力的影响通过简单增加的质量系数来近似。衍生的表达式也扩展到船舶与刚性墙碰撞以及船舶和柔性海上平台之间的碰撞的情况。

在出版时，由闭式表达式确定的碰撞能量结果仅通过能够处理二维倾斜碰撞的第一时域模拟之一获得的结果验证，Petersen[4]。计算结果与时间模拟保持一致，这说明了应用刚体力学程序进行船舶碰撞的分析是足够准确的。后来，在2002年Brown[5]比较了这种分析方法与更全面的时间模拟结果，发现很好的一致性，这进一步证实了该方法的可靠性。

这个分析模型的一个重要特征是，它是如此之快以至于它可以与基于蒙特卡罗的船舶碰撞概率模型一起使用来计算一组特定被击中的船舶的能量参考值和在各种航运路线上的碰撞概率。Pedersen[6]最近在一篇关于船舶碰撞和接地分析程序的评论文章中强调了这一点。 最重要的是，在进行船舶碰撞分析时，分析方法对于学术界和工业机构中的许多工程师来说是一个有价值的参考[5-9]。 由于这个原因，人们认为当前重要的是利用最近公布的模型规模和全尺寸船对船碰撞实验[8-12]进一步验证分析表达式，以便于来给使用这个分析表达式的人更多的信心。

Tabri et al[8]指出，在全尺度垂直船碰撞实验中测量的外部动态行为可以通过水箱中的模型规模实验相当好地模拟。 他们报告了13个垂直模型碰撞实验，它们是由荷兰应用物理研究所（TNO）在1998年[11]和2003年[12]进行的两个全尺寸实验设计和验证的。 Tabri[9,10]等人使用相同的缩放船模型，进行额外的24次碰撞实验，以评估冲击角度和位置对释放的能量的影响，其他21次用于调查在打击船上携带的液体填充罐中晃动的影响。 这些58个模型碰撞试验和两个全面碰撞实验已经被选择用于本分析方法的验证。

为了便于参考，本文首先为碰撞能量被变形的船结构吸收重新推导了参考文献[1,2]中的封闭形式的表达式。 此外，提出一个简单的概念来解释船舶上携带自由表面的液体的有效质量，以便预测具有晃荡相互作用的实验的实验响应。 可以得出结论，分析方法给出与实验结果合理地保持一致，尽管一些情况的差异略大于预期。

由于分析方法仅考虑水线平面中的船舶运动，所以撞击船舶的横摇运动对在碰撞期间释放的能量的影响是本文所关注的。因此，这也已经通过推导用于估计滚动的能量损失的新表达式来评估。这项研究的结果在附录A中给出，其中结论是被击打的船的横摇运动的影响通常是小的并且可以忽略。

分析公式

为了方便参考，参考文献 [1,2]所给出的封闭形式的方程为碰撞能量被变形船舶结构吸收的部分在这里简要地重新证明。

碰撞情景考虑两艘船在船A以前进速度Vax和摇摆速度Vay航行，船B以前进速度Vb1和摇摆速度Vb2航行时彼此碰撞。

XYZ坐标系固定在海底。 Z轴指向离开水面的方向，X轴位于船舶A的指向船头的对称平面中，并且XYZ系统的原点布置成使得船中部分处于 YZ平面在接触时刻，t = 0。Xh轴的原点位于碰撞点C处，x方向垂直于碰撞表面，X轴与h轴之间的角度为a，两船之间的碰撞角为b，如图1所示。

对于船A，质量为Ma，围绕通过重心的垂直轴的船质量惯性的半径为Ra，船的重心处于（xa,0），碰撞点的坐标为(xc,yc)，对于纵荡运动的附加质量系数为Max，即总质量为Ma *（1 max），横荡运动的附加质量系数为may，围绕重心旋转的附加质量系数是ja。

图1 船船相撞的坐标系

对于船B，质量为Mb，围绕穿过重心的垂直轴的船质量惯性的半径为Rb，船的重心的坐标为(xb, yb)。 纵荡运动的附加质量系数为mb1，横荡运动的附加质量系数为mb2，围绕重心旋转的附加质量系数为jb。

如果围绕穿过重心的垂直轴的惯性半径不可用，则可以估计为R = 0.25L，其中L是船的长度。

船舶结构变形释放的能量

在船舶相撞时考虑两种情况：

（1）相撞情况：当|mu;0|ge;|mu;|时，两艘撞在一起时，在xi;方向Ex和eta;方向Eh释放的能量可以表示为

其中xi;max和eta;max是在碰撞结束时在xi;方向和在eta;方向的穿透。总释放能量是在xi;方向和eta;方向释放的能量的总和：E total = |Exi;| |Eeta;|。

碰撞冲击在xi;方向和eta;方向的分量可以由下式计算：

（2）滑过情况：当|mu;0|le;|mu;|时，两艘船互相滑过，用于使船舶结构变形的释放能量可以表示为：

擦过情况下碰撞冲击的分量是：

这里的mu;0是两船的摩擦系数

并且

在碰撞开始时，时间t=0，两艘船在撞击点C的xi;方向和eta;方向的相对速度由两艘船的初始速度确定：

在碰撞的结尾，t=T，两艘船可能在xi;方向反弹，那样的话：

这里e（0lt;elt;1）是恢复系数。对于完全塑性碰撞，e = 0，并且对于完全弹性碰撞e = 1。 对于两个船在碰撞后被困在一起的情况，相对速度为零。

附加质量系数

附加质量系数max; may; ja和mb1; mb2; 考虑到船舶和周围水体之间的相互作用，这取决于船舶的船体形式和冲击持续时间等。为了简单起见，Minorsky [13]提出使用船舶附加质量系数的常数值，对于横荡运动：

Motora等人 [14]对横荡运动增加的质量系数进行了一系列模型试验和水动力分析。他们发现在碰撞期间增加的质量系数变化，表明该值在may = 0.4至1.3的范围内。 持续时间越长，系数的值将越大。 然而，如果碰撞持续时间非常短，Minorsky假定的may = 0.4的值通常是合理的。Petersen和Pedersen [15]表示，横荡运动的附加质量系数可以从以下估计：

最近，Tabri [8,9]使用条理论估计小型内陆油轮的横荡运动附加质量系数。 他们发现，对于这些特定的油轮，当型深吃水比从0.33变化到0.66时，系数范围为0.16至0.28。

与船舶的纵荡运动相关的附加质量系数max与船的质量相比较小。发现为0.02〜0.07。

目前通用的将附加质量系数0.05选择用于纵荡运动，而横荡和艏摇运动的系数由Tabri等人[8-10] 获得。他们进行流体动力学分析以确定无限频率的附加质量系数。

实验结果的验证

在1998年研究公布时，参考文献[1,2]使用时域数值模拟验证了分析闭式解法。虽然到目前为止，分析数学模型已经用于许多碰撞分析，但是本文认为有必要使用另外的，最近报告的实验结果来验证该方法。

因此，在本节中将验证abri等人[8-10]发表的模型规模实验的结果和参考文献 [11,12]中报道的全尺度船舶碰撞实验。 模型尺度试验包括垂直碰撞，其中两个船只之间的碰撞角度为90°（beta; = 90°），斜向碰撞实验（非垂直碰撞），以及一组用于评估在碰撞过程中船舶自由液面的液体的影响的模型试验。 两个全尺寸实验代表船上有和没有自由液面的液体的垂直碰撞。

模型尺度垂直碰撞

Tabri [8]给出了垂直碰撞实验的结果。船舶模型的主要特点如表1所示，模型试验的进行方式如图2所示。

装备有用于测量接触力的力传感器的刚性球根弓安装在打击船的船头上。灯泡的垂直位置是可调节的，以控制接触点的高度（图2中的Zc）。被击打的船的港口侧的一部分由聚氨酯泡沫制成，充当接触区域，以便记录球根穿透历史。冲击速度通过使用来自气动缸的冲击载荷施加到打击船。 仅在纵向方向上测量接触力，因为假定垂直和横向分量对于垂直碰撞较小。实验获得的力随时间变化曲线能提供在碰撞过程结束时的变形能，其用于验证本分析公式的正确性。

首先假设了撞击船的三种装载条件即相应的吃水，质量，垂直重心（Za），围绕重心的惯性半径和用于横荡和艏摇运动的附加质量系数列在表2中列出。两艘船的纵向重心（Xa） 位于中部。附加质量系数由条理论[8]进行估计得到。

每个模型试验实验的特征和在冲击期间吸收能量的实验和分析得到的总能量的比较总结在表3和图4中。本文还提供了分析和模型测试结果之间的相差率作为参考。从比较中可以看出，分析和模型测试结果之间的差异良好，一般小于5％（13例中有6例），除了几个试验，其中差异达到超过20％（例106， 108和110）。

以106试验为例，其能量类似于103试验的能量，其中冲击船的质量更大，冲击位置更靠近重心，并且碰撞速度略高。因此，可以预期106试验的碰撞能量小于103试验的碰撞能量，但模型试验结果显示相反。对于106试验获得的如此大的不同在此不能完全解释。

模型尺度斜碰撞

斜碰撞实验的实验细节和结果由Tabri等人[9]给出。船舶模型和试验设置与第3.1节中描述的相同，但对于斜碰撞情况，两艘船之间的碰撞角从60°到145°不等（也包括beta;= 90°的情况），见图4。 在实验过程中，在碰撞船上测量纵向和横向接触力分量。 虽然未测量垂直分量（由于测量仪器的限制），但是我们预期该力将只会是小幅度的。 用于这些测试的船舶模型的物理参数总结在表4中。

模型实验的结果和与分析方法的比较示于表5中。对于8个垂直碰撞情况，即试验201至208，比较结果较为一致，其中差异通常小于10％，除了试验05和207。

对于角度60°和120°的倾斜碰撞，除了试验304

全文共10675字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[144109]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章