1．目的及意义

随着世界经济的快速发展，全球航运业与交通运输业更是蓬勃发展，近些年来，无论海上或内河，航行船只数量和吨位迅猛增加，航速不断提高，航线也十分拥挤。同时水上交通事故统计表明，船舶碰撞事故发生率在各类水上交通事故中一直位居前列^[1,2]。船舶碰撞造成的损失是难以用金钱衡量的，不仅造成人命及财产的损失，也给海洋带来了严重的污染，更加威胁到子孙后代赖以生存的自然环境。毫无疑问，无论从安全、经济，还是从环境保护来看，深入研究船舶碰撞机理并提高船舶与其它结构物的耐撞性能都具有极其重要与深远的意义。但是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模型进行全面、真实的表达，而且实船海上碰撞试验实施风险大、成本高、控制难，基于实验室环境的船舶模型碰撞试验研究成为碰撞试验的主要方向之一。为此有必要开展相关模型试验，为理论分析、数值仿真等相关技术研究提供可靠的数据支撑。

尽管船舶碰撞问题如此复杂，但是此问题一直是航运业、造船业十分关注的重要研究方向之一，世界上各个造船大国也都开始重视研究船舶碰撞问题，包括船舶碰撞外部机理和内部机理，国内外的学者和研究机构也都投入了很多财力、物力、人力开展各项研究。经过几十年的努力，船舶碰撞领域的研究取得了很多进步，取得了不少的成果与创新。

船舶碰撞问题的研究主要分为外部动力学和内部力学两个方面，外部动力学方面研究了船舶在流场中受到的流体动力和刚体运动，内部力学方面研究结构碰撞区的局部损伤变形。

1959年，美国学者Minorsky^[3] 发表了一篇关于核动力船碰撞分析的研究论文。目的是为了防止核动力船舶在碰撞或者搁浅的事故中受到严重的损伤从而引发核泄漏等重大事故，在文中他提出了一种基于二十四种实际碰撞事件的半解析的求解方法并介绍了如何使用该方法，从此开启了船舶碰撞研究工作的大门。Petersen (1982)^[4]模拟并分析了碰撞中船舶的水平运动过程。该方法所考虑的作用力仅包括碰撞力和流体动力，碰撞力由贯入量的函数表示，流体动力作用由切片法进行计算。梁文娟(1986) ^[5]将Petersen的方法成功扩展到三维碰撞情况，采用六个非线性弹簧替代结构变形，所有变形都出现在碰撞处，考虑船舶的侧向对称性计算流体水动力系数。虑及碰撞过程中船舶运动的六个自由度以及碰撞区域结构三向非线性特性，建立了船舶碰撞的运动方程，模拟了船舶碰撞的外力作用。Pedersen和Zhang(1998)^[7]考虑了滑移与回弹运动，给出了解析解，分析了非对称碰撞，得到了碰撞中由变形吸收的动能损失。Pedersen(1995) ^[6]编写出了模拟碰撞船舶运动的通用程序。Brown(2002) ^[9]给出了简单耦合方法，考虑了碰撞船舶之间的摩擦力，仍用不变的附连水质量计算流体动力；他将计算得到的变形能与参考文献[7]中Pedersen和Zhang提出的解析解方法进行了对比。上述方法从碰撞机理的外部动力学出发，研究了碰撞船舶的刚体运动与碰撞力变化。Zhang(1999)^[8]根据一些学者就船舶碰撞破坏模式的研究提出的经验公式，如Minorsky计算能量的公式结合塑性力学中的上限理论，提出了新的吸能一损伤体积关系式。Liu(2014-2017)^[10-14]等人近几年利用有限元分析软件对船舶碰撞问题进行了大量的研究，验证了Pedersen和Zhang(1998)的方法是否满足设计评价评估预测的需要，还阐述了碰撞角度对船舶碰撞力学的影响等。

从 20 世纪60 年代开始，国外相继开展了大量的船舶碰撞试验工作，但是考虑流固耦合效应的实船碰撞是比较少的，局部的碰撞损伤变形试验比较多。其中比较有代表性的包括:Woisin(1976)^[15]先后完成了12艘船舶模型的碰撞试验，模型比例从1/12到1/17.5不等，进一步充实和发展了Minonky^[3]理论;为研究不同类型船舶舷侧结构抵抗船舶撞击的能力，从80年代开始，人们开始对其他船型进行碰撞试验研究，包括小尺度模型试验、大尺度模型试验和实尺度试验。ASIS和CMO协会(1991)，利用两艘多米长的内河油船进行了一系列的实尺碰撞试验，对外板破裂、焊缝失效、附连水影响等进行了研究，测得了撞深、碰撞力和船舶刚体运动等结果。Vredeveldt和Wevers(1992)^[16], Thung和 Lenselink(1992)^[17]在报告中描述了试验结果。Nakamura和 Kuroiwa(1995)^[18]考虑尺度效应，采用1:2 的模型，进行了常规超大型油轮舷侧结构失效的准静态和动态碰撞试验。通过试验，研究了舷侧结构失效过程和能量吸收，发现准静态吸收的能量比动态试验吸收得多(约10%~30% ),即动态试验更容易引发脆性断裂。这主要是由于随着应变率的增加塑变应力增加的差异造成的。Qvist(1995) ^[19]等人完成了双壳舷侧结构实尺模型动力碰撞试验。Carlebur(1995)^[20]在港口完成了4组不同撞击速度条件下的实船碰撞试验研究，用全面的实验数据来验证了一些船舶结构的抗碰撞性能确定方法的准确性；Paik和Chung(1997)^[21]进行了船首碰撞性能试验、Paik^[22]进行了双壳船侧结构耐撞性试验。Kitamura(1997)^[23]讨论了高强度钢质球首撞击标准VLCC双壳舷侧模型中的油船结构损伤失效问题。Wevers和Vredeveldt(1999) ^[24]利用两条级内河油船进行碰撞，研究了Y型结构的耐撞性能，考虑了外部机理与内部机理的耦合作用。Wang(2000)^[25]等进行了双壳船体的多种碰撞和搁浅试验，包括不同球鼻艏曲率、撞击位置下的试验，提出了破坏机理的新理论模型和预测双壳船体碰撞性能的分析方法。王自力和顾永宁(2001)^[26，27]从理论分析和数值仿真两个方面对船舶碰撞运动的滞后现象进行了研究，研究结果表明：被撞船的运动滞后与撞击速度有重要关系；在高速撞击时，船舶碰撞的内、外部机理计算可相对独立地进行，而不会引起明显的分析误差。Tabri(2008-2009)^[28,29]等进行缩尺比碰撞模型试验，探讨了船舶不同碰撞角度条件下的碰撞力和运动响应特性。Ekaterina Kim^[30]等通过实验室的系列淡水冰块对加筋钢板碰撞试验，分析了冲击结构在冰破坏作用下发生永久变形的情况，并给出了主要试验结果和经验教训。Song等(2017)^[31]利用ALE FSI方法对船舶碰撞结果进行参数研究，同时计算接触力和船舶运动。李良伟和杜俭业(2018)^[32]利用船舶拖曳水池开展了系列模型碰撞试验，分析了不同撞击速度和撞击角度条件下的被撞船模型舷侧结构损伤特性，研究工作可为更好地理解船舶在实际场景下碰撞后的运动规律及仿真方法验证提供试验数据支撑。

数值解法主要是通过数学建模的方法对船舶碰撞过程进行描述，从而研究出不同边界条件和结构特性下，船舶碰撞过程的船舶运动规律和船舶碰撞损伤的形成、发展机理。试验方法主要是通过建立碰撞模型试验，取得实测的碰撞力及变形能的时程曲线，同样地能求解出船舶碰撞过程中的运动规律以及损伤机理。现阶段船舶碰撞问题的研究以理论计算方法为主要手段，但是试验开展相对比较少，因此试验结果与理论方法计算结果的准确性验证是需要进一步研究的方向之一。Minorsk(1959)^[3]在基于对26个实船碰撞或试验数据的统计分析，给出了动能损失与被撞船损伤体积之间线性关系的经验公式。Woisin (1979)^[33]在一系列试验研究基础上提出一个新的经验公式，对Minorsky的方法进行了改进，扩大了Minorsky公式的应用范围，提高了计算精度。Reckling(1983)^[34]同时考虑了撞击船与被撞船的损伤变形，对一实例进行分析计算，给出了碰撞船舶能量吸收的分配情况。梁文娟(1992) ^[35]在其对船舶碰撞力学机理的研究下，以实例计算得到了船舶碰撞过程中的能量与碰撞力的变化，还就碰撞保护结构设计原则进行了讨论。Tabri (2009)^[36]基于全尺度模型试验基础，考虑模型运动的惯性力、周围附连水的作用、特别是压载舱的晃动效等因素提出了预测船舶碰撞后果的理论模型。Zhang和Pedersen ^[37]总共选择了20个实验测试，分析并与Minorsky方法计算的结果进行比较，得出结论：该方法具有良好的精度。Zhang等人 (2017)^{[38 ]}利用参考文献[37]中Zhang和Pedersen选择的20个实验结果进一步验证了封闭式解析式的合理性，并进一步提高了附加质量系数的准确性。

总体而言，利用船舶碰撞试验可以研究碰撞中船体的运动和结构的动态响应，同时基于碰撞外部动力学机理，关注结构破坏变形以及损伤模式，能够得到结构能量吸收耗散分布，为理论方法得到解析解公式提供有用的参考数据进行对比，以及对公式进行必要的修正。但考虑到实船海上碰撞试验实施风险大、成本高、控制难，于是基于实验室环境的船舶模型碰撞试验研究成为碰撞试验的主要方向之一。由于海上碰撞特性与船舶运动、相对位置、海洋环境等诸多因素密切相关，有必要研究提出能够模拟较为真实的海上碰撞环境的试验方案，同时还要结合理论方法得到的解析解等分析手段，为理论研究工作提供有力的试验数据支撑。

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2. 研究的基本内容与方案

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本毕业设计主要研究船舶碰撞中外部碰撞力学部分，从船舶碰撞试验方法入手，运用试验水池开展系列模型碰撞试验，同时结合Pedersen和Zhang等提出的解析解方法，探究船舶的刚体运动以及耗散于结构损伤变形的碰撞能量，最终利用解析解与实验结果进行对比来研究船舶碰撞机理。

此外，如果时间和条件允许，可增加如下的研究工作，此内容为加分项：