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【摘 要】在当前经济全球化发展背景下,海洋运输是拓宽经济来往渠道、促进世界市场形成的重要途径,有效改进船舶设计和制造技术是提升国家核心竞争力的重要内容.船舶碰撞是船舶在水上运行时可能出现的特殊状况,一旦发生往往会造成较为严重的后果.通过对船舶进行耐撞性结构设计能够最大程度降低碰撞带来的影响,维护人员和物质财产安全,避免对相关水域造成污染以及对航道运行造成阻碍.本文基于实践研究探索了船舶耐撞性新型结构的实现途径,以期为我国海洋事业的长远发展提供借鉴.
【关 键 词】船舶结构；耐撞性；双壳船舶舷侧结构
船舶碰撞是影响水运建设的重要因素,虽然船舶设计理念不断提升、制造工艺也日趋完善,但是水上特别是海上航道状况的复杂性以及各种不确定因素的存在使船舶碰撞事件时有发生.碰撞事件通常会造成较为严重的后果,如人员伤亡、财产损失、船舶沉陷、水域污染等,当前的技术条件还不可能完全杜绝船舶碰撞状况的发生,因此怎样增强船舶结构的耐撞性,降低碰撞影响,使船舶能够在发生碰撞后不至于发生毁灭性的事故是当前船舶设计研究的重点内容.
1船舶碰撞类型
将计算机处理技术、卫星导航以及智能化操作等运用到船舶航行中能够大幅度减少船舶碰撞的发生率并且提升事故发生后的救援质量,但是由于人为判断失误、操作失误或者机械原因世界范围内每年都会有很多的船舶碰撞事件发生.研究船舶碰撞类型及施力特征是优化船舶耐撞性结构设计的必经之路,按照被船舶撞击物体种类,可以将碰撞分为两种类型.
1.1船-船碰撞
不同船舶之间的碰撞是船舶结构设计研究的重点问题,由于这种碰撞通常存在双向动力并且涉及到至少两艘船舶,因此撞击强度往往很大,造成的事故也相对惨烈.在船-船碰撞类型中,最危险的状况是撞击船的船首部位与被撞船的舷侧结构呈垂直方向碰撞,由于船首结构刚度远远大于舷侧刚度,因此会对被撞船只造成严重的破坏.目前对船-船碰撞的研究主要有方面,即碰撞发生的外部机理和内部机理.
1.2船舶搁浅
船舶搁浅属于碰撞的一个特殊类型,其碰撞部位发生在船舶底部,而被碰撞物体通常为礁石、水底等地表结构.礁石类搁浅通常会引发船舶底部产生严重的撕裂型破损,而沙滩或者其他软性地表搁浅则会造成船体失稳,这两种类型分别称为硬搁浅和软搁浅.其中对船体本身结构产生更大破坏的是硬搁浅,一旦发生通常会引起大面积的变形和破裂.
2新型船舶耐撞性结构的实现
对船舶碰撞的研究目的是设计出具有合理结构的新型船舶,提升其结构的耐撞性.实现船舶结构耐撞性的主要途径是通过对结构进行重组或者改进,使碰撞事故中发生的能量传递机制发生改变,进而对船舶重要结构部位进行最大程度的保护.
2.1双壳船舶舷侧结构耐撞性设计
从以上对碰撞类型的阐述中可以发现,船舶舷侧是影响船舶整体耐撞性的关键部分,同时也是最需要进行结构强化的部位.随着现今国际社会对大型油轮碰撞安全性的重视,其耐撞性设计也被提升到了新的高度,其中一种重点领域即是将传统单壳船舶舷侧结构优化为双壳舷侧结构,从而提升舷侧对碰撞的应受度.
典型的双壳舷侧结构以下主要构件：外壳板、内壳板、横框架、舷侧纵桁、舷侧纵骨等.在进行船舶碰撞研究时,可以将情况设定为最严重的状况,也即是船首撞击舷侧,将撞头设定具有一定的初速度,且为刚性结构,这样其就具有了强大的撞击动能,在实际的碰撞事故中,撞头最有可能撞击在舷侧纵桁以及横框架的交界处,在碰撞力传递过程中,内壳板材料极有可能发生失效现象,因此内壳板的破裂将成为撞击的最严重后果.
通过对设定标准的撞击类型进行模拟可以得出结果,也即是被撞击船只损伤区域较为明显,内外壳均被击穿,纵骨破损程度尤为严重,由于与撞头没有发生直接的接触,纵桁和横框架破损相对有限,往往会出现小幅度的变形,而这种变形通常是由壳板破裂形成的连带作用所引起.
研究船舶撞击强度和影响,必须从能量转化角度考虑.简答来看,船舶碰撞过程也即是船舶航行动能向船舶结构改变的动能转化的过程,在此过程中不可避免地出现摩擦动能、沙漏能以及船舶结构局部功能等,由于这些能量形式对船舶结构形成的影响较小,因此可以忽略不计.舷侧是接受撞击动能最多的部位,并且这些能量大量释放到了外壳板上,造成相关构件的严重变形和位移.而内壳板由于距离初始撞击位置有一定距离,因此刚开始接受能力有限,但是在与撞头接触之后,其吸收能量的效应大副增加.总体来讲,船舶碰撞过程中,被撞船舶吸收能量具有以下特征,强度大的构件并不一定接受最多的能量,而与撞头最先接触的构件则吸收很多能量,结构严重变形.
针对以上分析可以得出改进船舶结构耐撞性的设计方案,主要实施途径是对船舶结构进行整体上的改进,促进其碰撞载荷的有效分散.通过分析对比本文提出三种设计方案：第一是斜纵骨夹层板双壳结构,这种结构将双壳结构改造为夹层板结构,从而增大了其平面变形,使其具有很好的吸能效果；第二种是箱型梁双壳结构,主要是应对船舶满载水面下部位的撞击过程；第三是槽形筋双壳结构,将船舶纵骨改造成为具有槽形截面的型钢,从而降低了其在发生撞击时的弯曲和变形程度.
2.2船舶结构抗搁浅功能的实现
船舶在航行过程中碰撞到礁石可能引发搁浅事故,由于这种搁浅对船体本身造成的破坏较为严重,因此又被称为高能搁浅.船舶如果经过横向加强处理,其主尺度往往会变小,因此发生硬搁浅的概率不计大型船舶.油轮搁浅造成的危害辐射面较广,在国际社会引起了广泛的重视,由于单底大型油轮发生搁浅的可能性很大,因此目前已经呈现出被淘汰的趋势.
对船舶结构抗搁浅功能进行优化设计,必须将搁浅事故发生过程中船舶底部的结构吸能最大值作为优化对象,在设计环节可以应用两种形式,第一是对船舶底部结构进行革新,第二是将原有结构进行尺度和厚度的优化.具体结构尺寸的优化方法可以采取混合离散变量法.但是要注意对传统船舶底部结构优化时,其尺寸存在一定的变化范围；船舶结构的型材以及板材厚度都要去整数处理；船底结构构件的数量要严格按照实际船舶结构不知情况进行确认；抗搁浅设计必须考虑船体重量对船舶整体运行性能的影响,在设计时应将重量作为重要的限制因素.
3结论
船舶碰撞引起的后果较为严重,并且很难对其进行有效的控制,提升船舶耐撞性是降低撞击事故不利影响的关键措施.通过对撞击类型以及撞击能量进行研究可以为新型耐撞性船舶结构提供依据.对双壳舷侧结构船体进行结构改造能够最大程度发挥各构件的功能,减少结构变形,从而对船舶起到有效的保护作用.