在运用有限元技术解决船舶-海洋平台碰撞问题方面,国外学者起步较早。Petersen和Pedersen[[[14] Martin J。 Petersen, and Perben T。 Pedersen。 Collision between ships and offshore Platform[A]。 Proceeding of 13th annual offshore technology conference[C]。 OTC4134,1981。163-171。]]在碰撞过程中考虑了作用在船舶上水动力压力的变化,对船舶与浮动式平台结构和固定导管架平台结构进行了碰撞的动力学数值模拟研究。Joao G。和De Oliveria[[[15] Joao G。 De O liveria。 The Behavior of steel offshore structures under accidental collisions[A]。

Proceeding of 13th annual offshore technology conference[C]。 OTC4136,1981。187-198。]]利用梁单元模拟平台钢质圆管构件遭遇船舶碰撞的损伤特性,材料假定为理想弹塑性,构件两端不同的边界约束对损伤计算有重要的影响;Amdahl和Johansen[[[16] Amdahl。 J, Johansen。 A。 High-Energy Ship Collision with Jacket Legs。 International Conf-Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Rio de Janeiro, June 2001。]]应用有限元软件LS/DYNA对船舶与海洋平台的碰撞过程进行了模拟,虽然只分析研究了船首的变形情况,却为进一步分析海洋平台的变形情况提供了更为合理、准确的研究方法。

随着我国海洋平台建造技术的提高和平台数量的不断增长,中国学者也陆续开展一些研究工作并取得重要的研究成果。金伟良[[[17] 金伟良, 宋剑, 龚顺风, 白秉仁。 海洋平台受损构件的承载能力与加固分析[J]。 工程力学, 2003, 20(5): 100-105页。]]采用非线性弹簧来模拟了受损构件的凹陷特性,计算分析了船舶侧向撞击导管架平台结构在不同的碰撞接触时间下的构件损伤情况。李润陪[[[18] 李润培, 陈伟刚, 顾永宁。 近海固定平台碰撞的准静态分析[J]。 海洋工程, 1995, 13(2):14-21页。]]建立了海洋平台与船舶碰撞系统的运动方程并采用弹塑性动力分析方法对碰撞过程中的一系列问题进行数值模拟。胡志强[[[19] 胡志强, 顾永宁, 高震等(2005)。 基于非线性数值模拟的船桥碰撞力快速估算[J]。 工程

力学, 22(3): 234-240页。]]利用数值仿真法得出了不同航速时船舶碰撞力的估算曲线。

3试验方法

试验方法主要通过实船或船模试验对碰撞中的结构响应及其耐撞性能进行研究,得到具有直观性的结果。由于解析计算方法在建立数学模型时作了大量的简化处理,造成精度较低,而数值仿真技术在仿真模型的建立时需要正确的参数设置以及研究者的知识经验等,使得该方法仍不可成熟的应用于实际工程分析中,所以试验方法在碰撞领域仍具有重要的意义,受到科学工作者的青睐。

试验的方法可以追溯到上世纪六十年代,日本、德国等学者进行的船-船碰撞试验,研究了船侧、船底等重要结构的耐撞性能。特别是日本以油船结构为研究对象,历时七年对其碰撞破坏和引发的原油外泄问题进行了综合考察。1991年,日本与荷兰合作,利用两艘80多米长的内河油船开展了一系列的实尺碰撞试验,测量了船舶运动、碰撞力、碰撞持续时间等,研究了外板破裂、附连水质量影响等问题[[[20] Vredeveldt A W, Wevers L J。 Full scale ship collision tests[A]。 Proceedings of Conference on Prediction Methodology of Tanker Structural Failure(ASIS), 1992。]]。Amdahl[[[21] Amdahl J, Kavlie d。 Experimental and vumerical simulation of double hull structure[J]。 DNV-MIT Work Shop on Mechanics of ship Collision and Grounding,1992。]]等人通过一个刚性六面体冲头撞击舷侧试件模拟船舶的侧碰,进行了一系列舷侧碰撞模型试验,探究双壳舷侧结构的耐撞性能,得到了许多指导性的结论。

由于此类试验属于一种昂贵的破坏性试验,成本较高,所以在船舶碰撞研究上,很少使用实船或是实尺度的模型进行试验,多是采用一定缩尺比的整体或局部模型进行试验。Tabri[[[22] Tabri K。 Model-scale experiments of symmetric ship collisions[J]。Marine Science Technology,2008,13(01):71-84。],[[23] Tabri K, Matusiak J, Varsta P。 Sloshing interaction in ship collisions-an experimental and numerical study[J]。Journal of Ocean Engineering,2009,36(17):1366-1376。]]在考虑了尺度效应的基础上进行了缩尺碰撞模型试验研究,将缩尺试验与数值模拟相结合,探究液体晃动对碰撞性能的影响。通过将试验数据与仿真结果进行对比表明,利用模型试验代替昂贵的实船试验具有较高的可靠性。胡志强和崔维成[[[24] 胡志强, 崔维成, 杨建民。 基于模型试验和数值模拟方法的深吃水立柱式平台碰撞特性[J]。 上海交通大学学报, 2008, 42(06): 939-944。]]基于模型试验和数值模拟方法,从外部机理和内部机理两方面研究讨论了深吃水立柱式平台的碰撞特性,对平台水平运动幅度、纵摇角、系泊力和内部各构件能量吸收情况进行了详细分析。

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