1. 研究目的与意义（文献综述）
| 近年来，随着世界经济的快速发展，海上交通日益繁忙，船舶吨位越来越大，海洋平台的市场需求量也逐年增大，海洋浮式结构物搁浅事故的发生愈发频繁。 为了避免海上意外事故的发生，人们己经做了许多的努力。尽管如此，船舶搁浅事故仍然在不可避免的发生。劳氏船级社[1]根据自己的统计数据指出，船舶搁浅与碰撞是导致船体破损，引发人员伤亡、环境污染与经济损失的主要原因。根据国际油轮船东油污联合会(ITOPF)的统计数据[2]，从 1970 年到 2015 年间，全球发生的 700 吨以上的油船溢油事故中，33%是由于搁浅事故引起的，如附件中图1所示。 严重的船舶搁浅事故往往会造成船舶结构发生大面积的变形破损，导致船舱浸水、漏油，甚至会因船舶剩余强度的不足而发生船体断裂，进而造成生态破坏、人员伤亡等重大的灾难[3]。1989年发生在美国阿拉斯加的ExxonValdez号油轮搁浅事故，经济损失达50亿美元，近4万吨原油泄露，对当地的生态环境造成了毁灭性的破坏，直到今天污染造成的影响仍然存在。2002年，载有7.7万吨燃油的“威望”号油轮在强风和巨浪的侵袭下失去控制在西班牙海岸搁浅，随后船体裂开一个35米长的大口，船体沉没前，泄漏了1.1万吨以上的燃油，400公里长的海岸受到污染，成为世界上最严重的燃油泄漏事故之一。2012年Costa Concordia号豪华邮轮在意大利吉廖岛附近触礁倾覆，造成了32人死亡，多人受伤的严重后果。2016年，半潜式平台TransoceanWinner因拖缆断裂而在路易斯岛附近搁浅，搁浅时平台右舷的浮箱破损，泄露了大约46吨的柴油。 海洋浮式结构物搁浅事故已成为海上人员伤亡、环境污染与经济损失的主要原因之一。鉴于海洋浮式结构物搁浅事故发生的频繁性及难避免性，无论从安全、经济还是环境保护的角度出发，研究海洋浮式结构物在搁浅事故中的结构损伤机理，提高海洋浮式结构物的耐搁浅性能都具有重要的现实意义。 过去关于船舶安全性设计的改革以及各种法律法规的颁布，往往都是以灾难性的事故为代价的。值得庆幸的是，近年来这种被动改进的状态正在逐步的改善。现在，研究设计人员已经开始在船舶的设计阶段，根据其航行环境与工作条件，考虑其可能遭受的危险载荷，来预防或降低搁浅风险，而不是只根据广义的规范做一般性的分析[3]。国际海事组织(IMO)也明确指出，对于船舶结构的设计，除了需进行一般性的综合安全评估外，也需考虑单独特定的船舶可能面临的突发性危险载荷问题。为此，相关学者和各国的研究机构提出了很多创新性的概念和方法，并最终应用于船舶初步设计当中。 早期船舶搁浅方面的研究很少，船舶搁浅领域的研究可以追溯到五十年代末期, 其开创性的工作是 Minorsky[4]在 1959 年发表的研究论文，其工业背景是配合核动力船的研制。1975年，Card[5]首次进行了搁浅统计调查研究。此后，Vaughan[6]将Minorsky的经验公式推广到船舶搁浅领域，他假定船舶搁浅吸能分为表面能量和体积能量两部分，基于试验确定了能量比例系数，但是该实验忽略了很多应该考虑的因素。 二十世纪九十年代后，韩国、日本以及一些西方国家都对船舶搁浅进行了深入的研究和细致地探讨[7]。日本开展了一个长达七年的防油船漏油研究项目[8]，主要通过实尺度船舶碰撞搁浅试验与数值模拟结合的方法研究了油船结构失效和漏油的预报方法。挪威船级社(DNV)在1991年到1993年间开展了一个三年计划, 建立了计算油船在搁浅时漏油的概率模型[9]。麻省理工学院(MIT)在1992年到1995年间开展了一个关于油船安全性的研究项目[10]，最后建立了搁浅时船底各构件的失效模型，并推出了一个计算程序“DAMAGE”[11]。荷兰进行了全尺度船船碰撞搁浅试验，实验结果及分析结论在Ehlers等[12]的报告中进行了介绍。 此外，不少学者对船舶搁浅场景下不同构件的变形与失效模式进行了深入的试验研究。1992年Amdahl和Kavlie[13]进行了 1/5 缩尺比的双层底结构垂直搁浅试验和数值模拟。Paik 和 Lee[14]在1995年介绍了一系列楔块切割加筋板的小缩尺试验 。同年Vredveldt和Wevers[15]进行了三次 1/4缩尺比的油船双层底结构搁浅试验。这些试验用于获得船舶搁浅时的贯入量、撞击力、结构失效和刚体运动数据。在这三次试验中，一次类似轻度搁浅事故，只有外壳破裂；两次类似严重搁浅事故，内壳也发生破裂。试验结果表明，纵向加强筋承受纵向贯入的能力是不足的，因为连接加强筋和船底板的焊缝在接触人工岩石之前就失效了。对于割伤，增加横向肋板数目或增加肋板厚度比增强纵向构件更有效。 Lu [16]在总结前人所做的研究结果之后，做了一系列板撕裂的实验，用无量纲化的方式得到了板撕裂的能量公式，并比较了静态分析中和动态分析中，实验模式及公式参数的区别。1993年，Wierzbicki[17]根据塑性断裂力学，建立了油船搁浅损伤预测模型，根据初始阶段楔块切割力的紧凑形式解和 MIT的一系列静态切割试验推导出板切割力，利用各自失效模式的简化模型推导出板和纵桁撕裂力，从超折弯单元的概念得到腹板失效的解。1994年，Pedersen[18]提出了在相对柔软的沙地、粘土或岩石海底上船舶搁浅的数学模型。1995年，Ohtsubo 和Wang[19,20]给出了楔块切割板的上限解和底部被切割时的结构强度。随后，两人[21]在1997年提出了预报船舶搁浅强度的简化方法，他们假设底部结构撞击力在船长方向是呈周期变化的，并且考虑了横向结构拉伸、压痕、撕裂和底板手风琴式撕裂失效四种损伤模式。Zhang[22]提出了一种用刚性楔体撕裂板材的理论研究方法，提出了一种计算船舶搁浅力的半经验公式，比较了搁浅事故中单层底和双层底结构的强度差异。最后，提出了用于确定船舶搁浅中底板损害程度的简单公式。Gao[23]在研究了浅滩搁浅过程中船底板渐进变形的基础上，提出了一种新的理论变形模型，得出了耗能和阻力的简化解析表达式，为浅滩搁浅的研究提供了方案。Calle[24]针对模拟船舶搁浅事故进行了1:100的模型试验，并进行了数值模拟，研究得出在校准参数时考虑裂纹的萌生和扩展，可以得到一种更合适的材料失效准则。2002年，Zhu[25]基于参数研究提出了船舶搁浅领域的理论模型，并提出了计算搁浅力及船舶损伤程度的半经验公式，Zhu用此方法评估了两个船舶搁浅实例，证明了此研究方法的准确性。2018年，Zhu[26]在水池中进行了缩比模型船舶搁浅实验，实验不仅得到了水平搁浅力和船底板破坏方式，还发现船模周围的水域对搁浅损伤评估有很大影响。 在海洋浮式结构物搁浅相关领域的研究中，不少学者用到了有限元仿真软件的方法。当利用有限元方法进行数值仿真时，即使是研究同一个对象，也会得出不同的计算结果。造成这一情况的原因主要包括失效准则不同，有限元模型网格尺寸不同，使用的计算程序不同等原因[27]。其中，板材单元失效准则以及网格尺寸是两个主要原因。当前国际学术界对海洋浮式结构物搁浅有限元应用中的钢材断裂失效准则已进行了大量研究。 Hill[28]基于局部颈缩分析提出了判断塑性开始的简化方法，这是BWH失效准则的基础。Keeler[29]在1963年提出了基于应变状态的成形极限图（FLD/FLC），开创了成形极限图的先河。1998年，Zhu[30]基于FLD和FFLD的颈缩和断裂破坏准则，考虑了双轴拉伸效应以及应变路径对破坏条件的影响，将其推广于船舶碰撞搁浅领域，并成功地预测了颈缩和断裂的发生。随后，Alsos等人[31]证明，非比例变化载荷作用下的应变路径会明显改变材料的成形极限曲线，因此对于发生搁浅的船体，基于应变状态的失效模拟方法并不准确。二十一世纪初，Stoughton[32]通过转换应力应变状态，提出了基于应力状态的成形极限图，避免了金属对于应变路径的依赖问题。Tornqvist[33]依据系列拉伸试验、压痕试验和三点弯曲试验数据，改进并验证了RTCL准则。 我国从上世纪八十年代以来，也开展了一些船舶搁浅的研究工作[7,34]，但由于我国的研究起步较晚且并未受到足够重视，相关研究并未深入展开，也未能系统的推出船舶搁浅的计算程序与设计规范。 在今天，随着海洋地位的迅速提升和我国建设“海洋强国”战略的提出，开展针对于海洋浮式结构搁浅损伤机理的研究对于保障船舶航行安全，发展海洋经济，保护海洋生态环境具有重要的战略意义。通过对文献的阅读和整理发现，研究海洋浮式结构搁浅过程中底板受到的搁浅力和底板破坏失效模式的文献不在少数。但是由于应用背景不同，不同文献研究的模型（实验或仿真）、实验条件和参数都不一样，另外不同文献的关注点也不同，这些因素导致其结论也不尽相同。本文将在前人研究的基础上对此问题进行详细探讨，旨在提出更合理地评估海洋浮式结构搁浅损伤的建议和方法。而研究礁石形状对结构底板破坏模式及搁浅力大小的影响的文献很少，因此礁石形状是本文的另一个关注点。 |
2. 研究的基本内容与方案
| 基本内容 论文主要通过数值仿真的方法，以海洋浮式结构底板为研究对象，对海洋浮式结构搁浅损伤机理进行研究。本文研究旨在获得搁浅过程中的水平及垂直搁浅力，破坏损伤范围，结构底板破坏失效模式，从而提出准确评估搁浅损伤的建议和方法。 (1)查阅有关海洋浮式结构搁浅和底板撕裂的相关文献，了解影响底板耐搁浅性能的主要因素，并掌握现有底板结构的相关理论研究、试验研究及仿真计算相关内容，完成底板结构搁浅相关领域的研究进展综述。 (2)建立海洋浮式结构底板的数值模型，基于有限元软件（LS-DYNA或ABAQUS）进行数值仿真计算，利用公开文献的实验结果验证数值模型和失效准则的正确性。 (3)验证仿真结果的正确性后，再建立一系列海洋浮式结构底板数值计算模型，对不同加筋形式和厚度的底板进行准静态仿真研究，探讨不同结构形式的底板损伤模式的区别。 (4) 基于数值仿真研究，通过改变礁石形状（楔形块、锥形，球面形）等探究其对浮式结构底板破坏模式及搁浅力大小的影响。 此外，若时间和条件允许：对单层底浮式结构物进行流固耦合搁浅试验研究（选做），从而对流固耦合条件下的浮体结构底板的破坏及失效模式进行研究。 目标 1、根据毕业设计（论文）任务书的内容和要求，进行文献的整理和阅读工作，文献不少于15篇，其中外文文献不少于2篇，翻译大约5000字的外文文章； 2、明确选题的目的和意义，确定开展论文研究的基本内容、研究方案和技术路径，在此基础上完成开题报告； 3、总结以往文献相关内容，对相关内容进行综述。学习并掌握数值仿真模拟的思路及设计方法； 4、学习一款商业有限元软件（LS-DYNA或ABAQUS）的基本使用方法，熟练掌握运用有限元软件对海洋浮式结构物搁浅进行数值仿真，并在此基础上对试验数值模拟进行参数影响研究； 5、熟练掌握Word、Excel等办公软件的使用，掌握学位论文的规范撰写，通过毕业论文的研究和撰写有效地锻炼和提高学生进行材料组织和撰写的能力。 6、对海洋浮式结构搁浅损伤机理进行研究，以获得搁浅过程中的水平及垂直搁浅力，破坏损伤范围，结构底板破坏失效模式，从而提出准确评估海洋浮式结构搁浅损伤的建议和方法。 拟采用的技术方案及措施 本文主要通过有限元数值仿真来完成，技术方案流程如图二所示。具体研究过程按如下方案开展：首先检索并阅读大量有关海洋浮式结构搁浅及板材撕裂的论文，掌握相关研究方法，了解影响底板结构搁浅损伤的主要参数和失效模式，在研究及仿真之前选定合适的参数和失效模式。为确保仿真及研究结果有效，需要选取一篇可信度高的公开文献的实验资料对有限元方法进行验证。 验证成功后，确定基准计算模型的尺寸、速度等的大小，对不同加筋形式及厚度的底板进行搁浅破坏的准静态仿真研究，获得其搁浅过程中的搁浅力和破坏损伤范围，确定结构底板破坏失效模式，探究不同结构形式的底板其搁浅损伤机理的不同。最后，通过改变礁石形状（楔形块、锥形，球面形）等探究其对浮式结构破坏模式及搁浅力大小的影响，提出准确评估搁浅损伤的建议和方法。 技术流程图见附件图二 |
3. 研究计划与安排
第1-2周：分析毕业设计（论文）任务书，了解设计要求，查阅相关文献资料，明确研究目的，完成开题报告；
第3周：阅读收集整理的文献，完成外文文章的翻译；
第4-6周：学习仿真软件基本原理及操作，制定数值仿真方案；
4. 参考文献（12篇以上）
| [1]Lloyd's Register of Shipping. Rulesand Regulations for the Classification of Ships[R]. 2008. [2]HandbookⅠ. International Tanker Owners Pollution Federation. 2015. [3]孙斌. 船舶在碰撞与搁浅场景下结构损伤机理研究及极限强度预报[D]. 上海交通大学,2016. [4]Minorsky V U. An analysis of shipcollisions with reference to protection of nuclear power plants[J]. Journalof Ship Research,1959,3(2): 1-4. [5]Card J C. Effectiveness of doublebottoms in preventing oil outflow from tanker bottom damage incidents [J].Marine Technology Society Journal, 1975, 12. [6]Vaughan H. Bending and tearing ofplate with application to ship bottom damage. The NavalArchitect[J],1978,(3):97-99. [7]祁恩荣, 崔维成. 船舶碰撞和搁浅研究综述[J]. 船舶力学, 2001(04):69-82. [8]Kitamura O, Kuroiwa T, Kawamoto Y, etal. A study on the improved tanker structure against collision and groundingdamage[C]. Proceedings of 7th International Symposium on Practical Design ofShips and Mobile Units. Hague, Holland, 1998:173-179. [9]Pedersen P T. Collision and groundingmechanics[C]. Proceedings of ship safety and protection of the environment,WEMT' 95,Copenhagen, Denmark,1995,1: 125-157. [10]Simonsen B C, Wierzbicki T, Choi S K.Theoretical manual on grounding damage of a hull bottom structure[R]. JointMIT- Industry Program on Tanker Safety Report No.52, 1995. [11]Sinmao M V, Abramowicz W, WierzbickiT. User's manual and modeling guide for the program DAMAGE[R]. JointMIT-Industry Program on Tanker Safety, Report No.54, 1995. [12]Ehlers, Sren, Broekhuijsen, et al.Simulating the collision response of ship side structures: A failure criteriabenchmark study [J]. International Shipbuilding Progress, 2018,(55):127-144. [13]Amdahl J, Kavlie D. Analysis anddesign of ship structures for grounding collision[C]. Proceedings of 5thInternational Symposium on Practical Design of Ships and Mobile Units,London, UK, 1992,(2):1101-1114. [14]Paik J K, Lee T K. Cutting tests fora stiffened plate by a wedge[C]. Proceedings of MARIENV' 95, Tokoyo, Japan,1995,(1):113-121. [15]Vredveldt W, Wevers L J. Full scalegrounding experiments[C]. Proceedings of Conference on Prediction Methodologyof Tanker Structural Failure and Oil Spill (ASIS), Tokyo, Japan, 1995:1.1-1.12. [16]Lu G, Calladine C R. On the cuttingof a plate by a wedge [J]. International Journal of Mechanical Sciences,1990, 32(4):293-313. [17]Wierzbicki T, Thomas P. Closed-formsolution for wedge cutting force through thin metal sheets [J]. InternationalJournal of Mechanical Sciences, 1993, 35(3-4):209-229. [18]Pedersen P T. Ship grounding andhull-girder strength [J]. Marine Structures, 1994, 7(1):1-29. [19]Ohtsubo H, Wang G. An upper-boundsolution to the problem of plate tearing [J]. Journal of Marine Science andTechnology, 1995, 1(1):46-51. [20]Wang G, Ohtsubo H. Structuralstrength during bottom raking [J]. Journal of the Society of Naval Architectsof Japan,1995, 178: 413-419 [21]Wang G, Ohtsubo H, LIU. A simplemethod for predicting the grounding strength of ships [J]. Journal of ShipResearch, 1997, 41(3):241-247. [22]Zhang S. Plate tearing and bottomdamage in ship grounding [J]. Marine Structures, 2002, 15(2):101-117. [23]Zhenguo Gao, Zhiqiang Hu, CarlosSoares, et al. Structural response of ship bottom floor plating during shoalgrounding[J]. Analysis and Design of Marine Structures V, 2015:685-692. [24]Calle M A G, Oshiro R E, Alves M.Ship collision and grounding: Scaled experiments and numerical analysis [J].International journal of impact engineering, 2017, 103(MAY):195-210. [25]Zhu L, James P, Zhang S. Statisticsand damage assessment of ship grounding [J]. Marine Structures, 2002,15(4):515-530. [26]Zhu L, Zhou Q, Chen, et al. Groundingexperiments of a ship model in water tank (Conference Paper)[J]. Proceedingsof the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering- OMAE, 2018, Vol.11A(0). [27]Alsos H S, Amdahl J, Hopperstad O S. Onthe resistance to penetration of stiffened plates, Part II: Numericalanalysis [J]. International Journal of Impact Engineering, 2009,36(7):875-887. [28]Hill R. On discontinuous plasticstates with special reference to localized necking in thin sheets [J]. Journalof Mechanics and Physics of Solids,1952,1:19-30. [29]Keeler S P, Backofen W A. Plasticinstability and fracture in sheets stretched over rigid punches [J].Transactions ASM, 1963, 56 (1):25-48. [30]Zhu L, Atkins A G. Failure criteriafor ship collision and grounding [J]. Proceedings of PRADS’98, Netherlands, Amsterdam,Elsevier, 1998,141-147. [31]Alsos H S, Hopperstad O S, et al.Analytical and numerical analysis of sheet metal instability using a stressbased criterion[J]. International Journal of Solids Structures, 2008,45(7-8):2042-2055. [32]Stoughton T B. Stress-based forminglimits in sheet metal forming [J]. Journal of Engineering Materials andScience,2001,(123): 417-422. [33]Tornqvist R. Design of crashworthy shipstructures [D]. Copenhagen Technical University of Denmark, 2003. [34]胡志强,崔维成. 船舶碰撞机理与耐撞性结构设计研究综述[J]. 船舶力学,2005(02):131-142. |
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