1．目的及意义

1.1目的:

近年来，伴随着世界经济的快速增长，航运业在全球范围内得到了迅速发展，造船技术得到了很大的提高，同时，全球水上交通变得日益繁忙，船舶运输风险变得越来越大，特别是对于大型油船、液化天然气船（LNG船）和化学品船来说，其吨位正朝着大型化发展，船舶航速也变得越来越快，全球每年发生的船舶事故的数目逐步增加，其中船舶搁浅事故是占比例较高，造成严重后果的事故类型之一。英国劳氏船级社1995-1998年期间失事船舶统计资料显示，船舶搁浅和碰撞事故约占船舶失事总吨位的1/3。航运史上由船舶搁浅事故造成的严重海难事故有许多，2003年，一艘希腊籍油轮“塔斯曼精灵”号（Tasman Spirit）在巴基斯坦水域发生搁浅事故，导致该船装载的6万多吨原油至少五分之一泄漏入海，该事故造成了极其恶劣的影响，危害巨大，是巴基斯坦最为严重的一次海洋污染事故；2012年，意大利游轮“科斯塔·康科迪亚”号（Costa Concordia）行驶至意大利吉利奥岛附近时左侧船体发生触礁，船体被撕开一道70米至100米长的破口，最终造成游轮右侧船身完全被淹没，32人遇难。如上所述，船舶搁浅事故会引起油料泄漏，破坏船体结构，还可能造成重大人员伤亡，同时船舶搁浅事故造成的大量溢油不仅需要进行大力清理，还会造成长期的环境破坏。

灾难性的搁浅事故引起了研究设计人员的广泛关注与讨论。由于大多数（约85%）的事故原因是人为的失误，所以应加强航海人员的整体素质与完善航海系统，但是，仅仅是采取这些措施是不够的。基于对于船舶搁浅安全的考虑，从船体结构的角度出发，可以对船舶搁浅损伤机理进行研究，并开展一系列的搁浅数值模拟研究，以寻求更加合理的设计方法以提高船舶结构自身的耐撞性能及船舶航行过程中的抗搁浅能力，从而尽可能降低搁浅事件发生的概率和减轻搁浅事故的后果。

综上所述，如今的全球性航运安全情况突出了对于船舶搁浅问题研究的必要性。它有助于我们对船舶发生搁浅事故的机理及船体十分复杂的非线性动态响应过程作进一步的了解和认识，以便为今后船舶结构的抗搁浅设计以及规范船舶航速等提供一定的参考，进而尽可能做好预防措施，从根本上降低船舶搁浅事故的发生或者减轻搁浅事故后果，保证船舶工作人员的生命安全，减轻船舶搁浅事故对海洋环境造成的污染，保障海上运输的安全发展。

1.2意义：

目前有关对船舶搁浅这一问题的研究方法主要有：（1）试验法；（2）统计和概率方法；（3）简化解析法；（4）非线性有限元法。这四种方法各有优劣。试验法包括实船搁浅事故的实际调查分析和实船或船体模型的搁浅试验，它是最贴近实际情况的一种研究方法，结果最直观可信，但它需要花费大量试验费用和资源，而且所需时间也比较长，实施起来比较困难，同时船舶模型试验存在尺度效应；统计和概率法是对大量船舶搁浅事故信息进行归纳总结，建立搁浅损伤破坏的概率模型，给出船舶搁浅事故发生的概率和风险，但该方法需要大量实船统计数据；简化解析法对搁浅船舶结构进行了简化处理，提出相应的计算模型，基于能量法和其他相关方程，计算出结构搁浅抵抗力，简化解析方法计算方便快速，但依赖于计算模型的可靠性，其结果是一个平均值；非线性有限元法指通过非线性有限元软件模拟船舶搁浅工况，经过仿真计算得到船舶发生搁浅后的船底结构损伤变形情况，船底和搁浅障碍物之间的接触力以及船体构件的能量耗散情况等。但是影响有限元计算精度的因素有很多，例如建模的精确性、网格密度以及材料失效准则等。

由于搁浅事故的重大影响，国内外科研工作者对船舶搁浅问题进行了长期大量的研究工作。1958年，Minorsky^[1]基于大量实船碰撞事故数据分析，研究船舶搁浅和碰撞的机理，提出了Minorsky经验公式，揭示了船舶碰撞过程中船舶结构吸收能量与损伤体积的关系。Minorsky经验公式使用方便，缺点是没有考虑船舶结构的设计布局、材料的特性和损伤模式。1975年，Card ^[2]对搁浅事故进行了统计分析工作。1978年时，Vaughan^[3]将 Minorsky经验公式推广运用于船舶搁浅的研究中，假定船舶搁浅或碰撞所吸收的能量分为对应于切割或撕裂的表面能和对应于变形的体积能两部分，并通过试验确定了各能量项的比例系数，但忽略了很多因素，所以结果是近似的。1994年，Paik^[4] 基于理想化的结构单元法（ISUM），提出了一种评估船体结构损伤程度的方法。1995年，Kitamura^[5]对日本和荷兰联合进行的大比例模型搁浅试验进行了数值仿真模拟,采用Motora等人提出的船舶附加质量和波浪阻尼的计算方法。油船在搁浅过程中的主要运动分量为纵摇,垂荡和纵荡。之后，Kuroiwa^[6]提出了基于切片法的船舶搁浅有限元模型,并且对发生于1975年的单壳油轮搁浅事故进行数值模拟,该油轮以12节的速度搁浅,造成底部180米长的破裂。数值模拟损伤形式与观察的损伤吻合得较好,破裂长度为192米。1997年，Simonsen^{[7, 8]}考虑了塑性变形，摩擦和断裂的影响，提出了各种船底构件在圆锥形礁石撕裂船底板时的搁浅力解析表达式，并与NSWC（the Naval Surface Warfare Centre）进行的四次大型比例尺试验对比，验证了该方法的准确性。1997年，Wang等^[9] 提出了预报船舶搁浅强度的简化方法，他们假设底部结构搁浅抵抗力沿船长方向是呈周期性变化的，考虑4 种损伤模式：（1）横向结构拉伸；（2）压痕（denting）；（3）撕裂；（4）底板风琴式撕裂失效（concertina tearingfailure ）。1998年，Pedersen 和 Zhang^[10]考虑到不同的破坏模式和结构布置，对Minorsky经验公式进行了改进，建立了结构吸能与失效材料体积的新的表达式，可运用于全尺度船舶搁浅事故分析，他们还提出了油轮的底部割伤（raking damage）和高速船的底部损伤分布。之后，Zhu和Atkins^[11]提出可以将成型极限曲线（FLD）和断裂成型极限曲线（FFLD）作为失效准则应用于船舶碰撞和搁浅分析，他们较为成功的预测了板材在正碰和斜撞试验中的紧缩和断裂起点。2000年，Pedersen和Zhang^[12]探讨了结构设计对意外搁浅和碰撞损伤分布的整体影响的分析方法，并在此基础上提出了一种简单的考虑船舶的结构尺寸和建造材料的公式来表达此结果。2002年，Zhang^[13]提出了一个半经验公式来快速评估高能搁浅情况下船舶撞上岩石的搁浅力，比较了船体搁浅事故中单体结构和双体结构的底部强度，得到了用于评估船舶抗搁浅损伤特性和破损程度的简单公式。之后，Zhu等^[14]提出了船底单板和横向肋板的搁浅抵抗力解析表达式，应用该公式分别对单礁石搁浅和多礁石搁浅实船案例进行搁浅损伤评估，分析了多礁石搁浅工况下船底板结构能量耗散分配情况。2009年， Alsos等^[15]对不同形式加筋板进行了准静态压痕测试，稍后Alsos等^[16]采用两种不同的断裂失效准则来模拟上述加筋板准静态压痕试验，同时他们也研究了网格尺寸对仿真结果的影响。2005年，Marinatos和Samuelides ^[17] 提出一种在意外载荷条件下的船舶结构响应包括张力，弯曲，撕裂和破碎等失效模式的数值模拟方法，并特别研究了材料建模的影响，即材料曲线和失效准则以及网格尺寸和应变率对数值模拟结果的影响。之后，Liu 和Soares ^[18]提出了一种简化的分析方法和一种新的理论模型，可以用来评估受到局部静态或动态平面内载荷的腹板梁的抗挤压特性和描述搁浅事故中腹板梁的渐进塑性变形行为。2017年，Calle等^[19]对小比例船舶模型进行了碰撞和搁浅试验，用来校正试验仿真结果的可靠性。国内对船舶搁浅问题的的研究起步较晚。2009年，杨树涛等^[20]通过数值方法研究不同搁浅位置及摩擦系数对船底结构的抗搁浅性能的影响，分别对结构的损伤变形、搁浅力和能量吸收情况进行对比和分析，得到了搁浅损伤变形范围在横向上局限于相邻两个强构件(纵桁)之间，在纵向上则成带状分布，且外壳板的弯曲和膜拉伸是最有效的吸能变形模式。同时得出搁浅处结构的刚度对搁浅力影响很大，并且在建模过程中，当摩擦系数较大时，在仿真计算中必须对礁石与船底结构摩擦作用规律进行考虑。2014年，于兆龙等^[21]以典型船舶双层底结构中外底板上的骨材为研究对象，通过理论推导和数值仿真技术相结合，研究了外底板上骨材在船舶搁浅于台型礁石场景下的结构损伤机理，并得到外底板骨材变形阻力和变形能解析表达式。2017年，王自力等^[22]用非线性有限元软件ABAQUS对VLCC舱段结构搁浅触礁事故进行仿真计算,从损伤变形、搁浅载荷以及搁浅过程中的能量吸收情况等方面分析了船体结构的搁浅性能。

本毕业设计主要通过试验方法和有限元方法相结合，对船舶搁浅损伤机理进行研究。通过对船模搁浅试验的设计，了解船舶搁浅的研究重点；在此基础上探究不同搁浅工况对船底搁浅破坏的影响，分析船舶水平搁浅力，船底板破坏失效模式和船舶整体运动状态等。并利用商业有限元软件ABAQUS对船模搁浅仿真进行参数研究，从而更加深入的了解船舶搁浅损伤机理及动态响应过程。

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2. 研究的基本内容与方案

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2.1基本内容：

本次毕业设计首先对船舶搁浅的概念、分类、研究背景、研究现状以及现有的研究方法进行了总结，并对船舶搁浅的基本理论、相关的数值仿真技术以及建模方法做简单介绍。

接下来主要通过试验方法和有限元方法相结合，对船舶搁浅损伤机理进行研究，获得船舶搁浅过程中的水平搁浅力，破坏损伤范围，船底板破坏失效模式和船舶整体运动状态，从而提出准确预估船舶搁浅损伤的建议和方法。试验部分主要对单板船底结构进行搁浅破坏，通过改变礁石垂向搁浅深度探究其对船底搁浅破坏的影响，有限元方法主要用来获取船模试验过程中难以直接测量的物理量，如能量耗散分配关系，并在仿真计算中分析选择参数（如摩擦系数、失效应变等）的影响。

此外，在上述仿真方法研究的基础上，对船模加筋板船底结构进行搁浅数值模拟，比较单板和加筋板船底结构的搁浅破坏结果，讨论不同形式船底结构的耐撞性。