船舶碰撞数值仿真技术与FPSO船侧耐撞结构研究硕士论文.pdf

上海交通大学
硕士学位论文
船舶碰撞数值仿真技术与FPSO船侧耐撞结构研究
姓名:高震
申请学位级别:硕士
专业:船舶与海洋结构物设计制造
指导教师:顾永宁

摘要
船舶碰撞数值仿真技术
与 FPSO 船侧耐撞结构研究
摘要
大型油轮和浮式生产储油系统 FPSO 由于碰撞或搁浅事故而
导致大量原油泄漏会对海洋环境和生态系统产生严重的影响这
一直是全世界普遍关心的问题船舶碰撞和搁浅现象以及船舶结构
耐撞性也是船舶界研究的重点问题
从 1959 年 Minorsky 在船舶碰撞领域做出开创性工作以来到
现在已发展出多种研究方法用于船舶碰撞分析包括经验方法简
化的解析方法试验方法和有限元仿真方法等其中非线性有限
元数值仿真是近年来兴起的也是目前最为有效的一种方法非线
性有限元法已经应用到工程计算中但是其计算精度以及数值仿真
的关键技术现在还正处于深入研究之中同时近年来也开展了不
少针对油轮和 FPSO 船侧或船底耐撞性的研究并出现了一些新型
防撞结构设计如 Y 型这种新型结构的防撞性能到底如何还需
要进一步的研究
本文以结构碰撞损伤分析的数值仿真为基础研究整理归
纳了船舶碰撞分析非线性有限元方法的基本原理和关键技术并对
该方法用于计算船舶碰撞问题的可靠性与精度开展了校准研究
Benchmark Study 同时在综合分析了船侧主要构件基本破坏
模式的基础上采用数值仿真技术模拟计算了船艏正撞 FPSO 船
侧的动态过程考察了 FPSO 船侧的基本防撞能力并比较了常规
型与 Y 型 FPSO 船侧耐撞性能的优劣具体包括以下各项研究和结
论
1 根据文献研究和本文的实际运算工作经验归纳和论述了
I
摘要
碰撞分析控制方程的建立显式中心差分算法接触碰撞界面算法
沙漏控制和材料特性定义等关键技术讨论了数值仿真中的重要问
题如碰撞情景的设定网格尺度与单元类型的选取接触以及材
料失效准则的定义等
2 通过对试验资料的系列校准研究得到了两种材料船用
低碳钢和奥氏体不锈钢在碰撞损伤有限元计算中正确定义的最大
断裂应变值与单元网格大小的关系并给出了定量曲线对低碳钢
而言网格越小最大断裂应变值应该取得越大而对于奥氏体不
锈钢最大断裂应变值的选取不受网格大小的影响
3 利用 程序仿真了船侧碰撞静力模型试验和
动力试验得到了与试验结果十分接近的碰撞力曲线从而验证了
非线性有限元方法与 DYTRAN 程序用于计算船舶碰撞问题的可靠
性同时本文对连续多次冲击碰撞的损伤累积计算提出了一种简
单有效的仿真方法
4 模拟了 30 万吨级 FPSO 船侧遭受 5000DWT 和 5 万 DWT
船艏低速正撞的动态过程计算结果表明其足够承受住这两种级
别的碰撞船侧结构满足基本的防撞要求同时针对大型 FPSO
常规型和 Y 型两种船侧结构形式计算并比较了其受 5 万 DWT 刚
性船艏正撞时变形损伤和能量吸收情况研究了 FPSO 船侧结构组
件在抗撞中的作用过程通过分析表明 Y 型船侧相对来说可以吸
收更多的碰撞能量因此具有更好的防撞性能
以上 2 3 两项为国际合作研究项目即 ISSC 委员会
合作项目 4 为国家 863 项目的创新性研究而在 1 中除
归纳了前人的工作外也包含了本文独立的见解
关键词船舶碰撞结构耐撞性数值仿真非线性有限元等效
断裂应变 FPSO
II
ABSTRACT
NUMERICAL SIMULATION OF SHIP COLLISION
AND STUDY ON CRASHWORTHINESS OF FPSO’S
SIDE STRUCTURES
ABSTRACT
Oil leakage from or FPSO caused by ship collision and
grounding accidents would do tremendous damage to ocean environment
and ecosystem. It is a widely concerned problem in the world. Therefore,
ship collision, grounding and crashworthiness of ship structures e
the emphases of research work in the filed of ship study.
Many research tools and methods for ship collision analys