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摘要 有关内河运输船舶碰撞和搁浅的非线性有限元分析文章已经发表，三条所研究的船舶有一条是由波兰业主经营的传统船舶，另外两条是由INBAT工程研发出来的船舶。这项研究一方面深入分析船舶的强度为了证明所设计的创新船舶的强度性能不比目前运营的传统船舶弱。碰撞和搁浅数值调查是通过PAM-CRASH计算机编码的高度非线性行为的数值模拟。文中给出了分析结果，并对结论进行了分析和总结。 关键词：碰撞；搁浅；非线性分析；有限元法；数值模拟；内河运输
1 引言 1.1 概述 碰撞和搁浅的结构强度分析的对象通常是海上航行的船只。碰撞可能引起很大的灾难从而严重威胁到环境，例如，两船相撞不仅给船舶造成严重损害，还会引起石油泄漏。内河航运船舶经常发生碰撞与搁浅事故。无论船舶怎么被设计，建造和运营，这些事故都不可避免。这一领域正在进行的研究目的是评估损失，减轻事故的后果，并就如何在设计中提高抵抗损坏的能力提供建议。 因船舶碰撞造成结构破坏的分析非常复杂，冲击响应是高度非线性的，涉及船体结构的几何形状连续变化。从以往的船舶事故来看，主要的结构破坏形式是：甲板，船底板和外板的破裂和拉伸。 有两种方法可以描述船舶碰撞分析：简化与数值分析。简化的分析模型以刚塑性理论为基础对破碎模型基本结构单位进行推导。这些方法不考虑本地和全球的事故之间的偶然性。这些模型更适合于本地碰撞事故，这种偶然性可以忽略不计。典型的分析方法是米诺尔斯基方法（Minorsky，1959）。 它已被证明，非线性有限元数值模拟是可靠并且非常详细的（Amdahl等，1995）。功能齐全的专用有限元软件包如DYNA3D,DATRAN和PAM SYSTEM能调试材料性能的非线性和破裂受损状况。使用有限元模拟技术的调查结果包括：源[自-751*`论/文'网·www.751com.cn/（一）大型模型试验；（二）真实的碰撞事故；（三）真实的情况下搁浅事故。人们已经得出结论，有限元模拟无论是在建模方面和计算机性能方面都需要大量的支出。这一分析的成本往往是昂贵的。 Kitamura（2002）深入探讨问有限元分析问题并指出了这种分析的各个方面：船体梁的横向弯曲，拉伸跨度和等效破坏应变，支护结构变形，被撞船的前进速度，碰撞角度和船首弯曲，补板和面板在船艏的结构破坏。根据他的观点，有限元方法是一个统一的方法，涵盖所有领域的强度分析。从长远来看，只有少数几个问题会在执行一个标准化有限元分析时遇到。 直到90年代初，有限元法的优点与简化分析法相比比较有限，有限元模型的范围及其网格大小由于内存和处理器功率的不足以及昂贵的成本被限制在不理想的水平。 继建模技术的成功发展，非线性弹性模拟复杂船体结构的响应是可行的。由于考虑到网格尺寸和图案的有限元素，在应力场的应力集中和局部弯曲分析被认为是比以往任何时候都系统全面。材料随时间变化而引起的应力变化的影响也被考虑在每一步计算过程中。有限元模型可以多次应用，根据需求可以从各个方面得到想要的结论。与隐式有限元法相比，显式有限元代码目前被认为更多适用于大型船舶碰撞和搁浅模拟。该显式的有限元程序的巨大优势是众多的有限元仿真模型可以处理，而缺点是精度降低。 然而，这缺点可以通过采用细网格尺寸和适当的时间增量来解决。
1.2 论文综述 Endo等（2002）使用缓冲船艏的比例模型进行一系列碰撞试验。通过有限元模拟和一个简单的分析，对得到的测试结果进行了比较。利用有限元程序LSDYNA对此实例进行弹塑性有限元分析。Naar等人（2002）比较了在搁浅事故中各种类型的双层底结构抵抗破损的能力。船的底部装有一个最终在不同位置进入船体结构的圆锥形探头。其目的是比较四种不同结构的抵抗力、能量吸收能力和穿透能力。Wang等（2002）回顾了关于碰撞和搁浅的国家最新研究，他们着重于解决标准设计的三个问题：事故场景，定义评价方法和验收标准。McDermott等（1974）研究了一条纵骨架式的油船，结构在轻微碰撞时保持完好。基于模型试验来塑性分析程序，并进行碰撞损伤检查，最终将结论应用于其它理想化的船舶碰撞事故。Kinkead和Mech（1979）研究了碰撞的严重程度足以导致液体货物泄漏的事故，他们试图用米诺尔斯基经典统计分析液化天然气船被一系列常规船舶撞毁的问题，这可能发生在港口海域，会对社区造成风险。Pedersen等（1993）提出了对传统货船与跨海桥梁以及各种海上生产设施的碰撞力估计。Daidola（1995）在文献中回顾了碰撞和搁浅的性质和鉴定分析技术。Glykas等人（2001）讨论了油轮发生碰撞时的三种失效准则。Brown（2002）研究了碰撞场景随机变量对船舶碰撞预测损伤程度的影响。Hansen和Simonsen（2002）开发的软件为碰撞和搁浅事故相关的多因素分析提供了一个工具箱。 Lehmann和Peschmann（2002）用大规模碰撞实验结果验证碰撞过程中的数值计算。Naar等人通过使用一个商业显式有限元程序比较分析了各类双层底结构在搁浅时抵抗损伤的能力。Otto等人（2002）用客运船举例子来计算碰撞和搁浅的年度风险。Taag（2002）基于三个独立的方法考察了该损伤程度：实际伤亡的统计，世界船队船首高度统计和碰撞的仿真建模。Tikka等人的论文（2002）说明了大量的假设用来研究设计结构从而在真实的搁浅事故中对石油泄漏进行预防。Zhu等（2002）使用劳埃德注册的事故数据库继续调查船舶搁浅事故和滚装船损伤程度分布。Glykas和DAS（2001）利用有限元分析计算艏结构与刚体正面在碰撞过程中的能量耗散。Wang等（2002）进行了一项由于搁浅或碰撞事故造成的船舶的纵向强度破坏的调查。