摘 要

随着全球航运业与交通运输业的蓬勃发展，近些年来，船舶碰撞事故时有发生，这些事故将会造成大量的人员伤亡、环境污染、船上货物损失、船舶及其设备损害等灾难性后果，因此，无论从生命财产安全还是社会和谐绿色发展角度，进行船舶碰撞运动规律以及结构损伤机理研究具有重大的价值。对船舶碰撞问题的研究，理论和实验是两种主要的方法，但大多实验都未考虑水的影响。

本文采用模型实验和理论方法，运用实验水池开展系列模型实验，模拟了真实环境下两船相撞的整体运动与结构动态响应，重点研究了流固耦合作用下舷侧船体板的失效模式和损伤变形规律，以阐述船舶碰撞的外部动力学机理；同时利用解析解理论方法对外部动力学进行分析，并与实验结果进行比较，探讨了不同参数对船舶碰撞特性的影响，验证了理论方法计算结果的可靠性。

论文首先对国内外船舶碰撞问题研究进行了系统的分析和概述，对目前船舶碰撞问题的研究方法进行了总结；其次设计了一套合理的船舶碰撞实验方案，能较好地模拟出实船碰撞环境，主要考虑垂直对称碰撞情形，对碰撞问题中外部动力学部分进行了研究，利用实验室现有设备得到了直观数据结果，分析了流固耦合条件下船舶在碰撞过程中的船体的运动规律以及船舶的结构损伤、能量耗散情况，探讨了撞击速度、撞击点位置和船舶质量等初始条件参数对船舶碰撞特性的影响；最后以Pedersen和Zhang提出的解析解方法为理论基础，结合具体的实验参数，并以附加质量系数代替船舶周围流体的影响，对实验的撞击力、能量耗散以及撞击速度进行了理论分析并与实验结果进行对比，验证了理论方法的准确性的同时进一步研究了船舶碰撞机理。

关键词：船舶碰撞；模型实验；理论方法；流固耦合；碰撞特性

Abstract

With the rapid development of the global shipping industry and the transportation industry, ship collision accidents occur from time to time in recent years, and these accidents will cause a majority of casualties, environmental pollution, loss of cargo on board, damages to ship structures and their equipment, and other catastrophic consequences. Therefore, from the point of view of the safety of life and property or the harmonious green development of society, it is of great significance to study the response of ship motion and the mechanism of structural damage during the collision. The research on ship collision problem, theoretical method and model test are two main methods, and most of the experiments do not take the influence of water into account.

This paper, based on the model experiment and theoretical method, a series of model experiments are carried out in the indoor water tank, which simulates the ship motion and structural dynamic response during the collision between the two ships in the real environment, and the failure criteria and damage deformation of side plate under fluid-solid coupling are studied, the external dynamic mechanism of ship collision is described. Furthermore, the external dynamics are analyzed by analytic solution theory method, and the influence of different parameters on ship collision characteristics is discussed by comparing the results between the experimental measurement and theoretical method, so as to verify the reliability of the calculation results of the theoretical method.

Firstly, a systematic analysis and overview of the research on ship collision is made in this paper, the research methods of ship collision problem at present are summarized. And then a reasonable ship collision experiment plan is designed, which can simulate the collision environment of real ship, and only consider the vertical symmetrical collision situation. Besides, the external dynamics part of the collision problem is studied in this paper, the intuitive data results are obtained by using the existing equipment in the laboratory, and the motion of the ship during the collision and the structural damage and energy dissipation of the ship under the condition of fluid-solid coupling are analyzed. The influence of initial condition parameters such as collision velocity, location of collision point and ship mass on ship collision characteristics is discussed concurrently. Finally, based on the analytic solution method proposed by Pedersen and Zhang, combined with the specific experimental parameters, and the influence of the fluid around the ship is taken into account in the form of additional mass coefficient. The theoretical analysis of the impact force, energy dissipation and impact velocity of the experiment is carried out. Compared with the experimental results, the accuracy of the theoretical method is verified, and the ship collision mechanism is further studied.

Key Words：Ship collision; Model test; Theoretical method; Fluid-solid coupling; Collision characteristics

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 目的和意义 2

1.3 国内外研究现状 3

1.3.1 理论方法 3

1.3.2 碰撞实验方法 4

1.3.3 数值模拟方法 6

1.4 本文主要研究内容 6

第2章 船舶碰撞机理实验研究 9

2.1 实验目的 9

2.2 实验方案 9

2.2.1 模型设计 9

2.2.2 动力推进 13

2.2.3 模型约束 14

2.2.4 数据采集 15

2.3 实验步骤 16

2.3.1 倾斜实验 16

2.3.2 船船碰撞实验步骤 17

2.4 本章小结 18

第3章 实验结果分析 19

3.1 船舶位移 19

3.2 船舶速度 21

3.2.1 V₁/V₂-t曲线 22

3.2.2 V-t曲线 24

3.2.3 实验速度曲线特例分析 26

3.3 撞击力 27

3.3.1 F-t曲线 27

3.3.2 速度对最大撞击力的影响 30

3.4 结构损伤及能量耗散 31

3.4.1 结构损伤 31

3.4.2 能量耗散 33

3.5 撞击参数对结构碰撞响应的影响 34

3.5.1 速度对结构破损响应特性的影响 34

3.5.2 撞击位置对结构破损响应特性的影响 35

3.5.3 撞击船动能对结构破损响应特性的影响 37

3.6 本章小结 38

第4章实验结果与理论方法对比 39

4.1 理论模型 39

4.1.1 运动表达式 39

4.1.2 附加质量系数的选取 41

4.2 碰撞冲量理论计算 42

4.3 能量耗散理论计算 43

4.4 碰撞后速度理论计算 44

4.5 对比分析 45

4.6 本章小结 48

第5章 总结与展望 49

5.1 总结 49

5.2 研究展望 49

参考文献 51

附录 A 55

致 谢 58

第1章 绪论

在本章中将介绍论文的研究背景、目的和意义、国内外研究现状以及章节内容安排等内容，为本文选题的研究内容以及研究思路进行了介绍，对本文选题的研究价值和意义进行了突显，对论文选题的相关国内外研究现状进行了综述，对论文各章节的主要内容以及逻辑安排进行了指导。

研究背景

随着经济的迅速发展，全球航运业与交通运输业更是蓬勃发展，近年来，无论是内河还是海上，航行船只数量迅猛增加，吨位快速变大，航速不断提高，航线十分拥堵。同时据水上交通事故统计数据，在各类水上交通事故中，船舶碰撞事故发生率始终位居前列^[1]。船舶碰撞事故造成的损失往往是难以用金钱衡量的，其不仅导致生命财产的损失，也给海洋环境带来严重的污染，更加威胁到子孙后代赖以生存的自然环境。2004年12月在我国珠江口水域两艘万吨级集装箱船发生了碰撞，事故导致燃油泄漏约450吨，严重的污染了海洋环境（见图1.a）。2017年8月21日，一艘悬挂利比里亚国旗的油槽船“Alnic MC”于我国水域与美国的麦凯恩号导弹驱逐舰（USS John S. McCain）相撞，造成了10名美军罹难，5人受伤的重大事故。然而一个月不到我国海域内就发生了第二起船只相撞事故，9月13日一艘挖泥船和一艘油槽船于我国南部海域相撞，造成两名船员罹难，七人受伤（见图1.b）。同年12月， 杂货船“BBC KIBO”与一艘拖轮在进入Porto Alegro港时发生碰撞，拖轮被货轮的球鼻艏卡住 “拖行”了一段时间，造成了极大的损失（见图1.c）。2019年5月10日，日本川崎航运公司的“GENESIS RIVER”油轮在从休斯顿港刚刚驶出不久后连撞两艘美国运油驳船，虽然自身只受到一点擦伤，但是却对两艘驳船造成“一翻一斩首”的毁灭性破坏（驳船损伤见图1.d）。无论是在安全层面、经济层面，还是环境保护层面，深入研究船舶碰撞特性并提高其耐撞性能具有极其重要而深远的意义。但由于船舶碰撞现象极其复杂，船体运动、结构损伤、海洋环境等诸多细节难以用理论方法或有限元数值分析方法进行真实、全面地表达，而且内河或海上实船碰撞实验实施风险大、成本高、控制难，因此基于实验室环境下的船舶模型碰撞实验研究成为了碰撞问题的主要研究手段之一。

1. 珠江口水域发生的碰撞重大事故 (b) 麦凯恩号与油槽船“Alnic MC”相撞