摘 要

随着海上贸易的发展，船舶的碰撞引起了全世界的关注，但是关于这个问题的全世界的海商法和国际条约接连不断。虽然在过去几年中，航运供应超过了需求，但如果世界贸易存在于海上，它们仍然起着重要的作用。由于存在着人为因素，即使有各种各样的运输规则，但它不能避免交通事故。

现阶段许多国家的研究人员都在试图寻找研究减轻船舶碰撞事故损失的方法。近年来，人为因素的不可避免性是船舶碰撞事故不断发生的主要原因。从船舶碰撞安全性而言，基于船舶结构的角度的考虑，船舶结构仍然存在着许多改进和革新的余地，然而研究并改变船舶结构需要通过大量的模拟实验及实船验证，不仅所需时间长并且需要耗费大量的人力物力财力。因此，为减少研究船舶碰撞成本，本文考虑从设立一个通用的船舶碰撞实验平台来方便实验。

关键词:船舶碰撞；碰撞实验平台；吸能

ABSTRACT

With the development of maritime trade, the collision of ships has attracted the attention of the world, but the maritime law and international treaties of the whole world are continuous. Although the supply of shipping exceeds demand in the past few years, if world trade exists at sea, they will still play an important role. Because of the existence of human factors, even with all kinds of transportation rules, it can not avoid traffic accidents.

At present, researchers in many countries are trying to find ways to reduce the loss of ship collision accidents. In recent years, the inevitability of human factors is the main reason for the continuous occurrence of ship collision accidents. In terms of ship collision safety, the ship structure still has a lot of room for improvement and innovation based on the angle of ship structure. However, it needs a lot of simulation experiments and real ship verification to study and change the ship structure, which requires not only a long time but also a large amount of manpower and material resources. Therefore, in order to reduce the cost of collision research, this paper considers the establishment of a general ship collision experimental platform to facilitate the experiment.

Key words: ship collision; collision experimental platform; energy absorption

目 录

摘 要 III

ABSTRACT IV

第一章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文主要研究内容 3

第二章 船舶碰撞吸能实验台车整体设计 4

2.1概述 4

2.2实验台车布局方案 4

2.3 实验台车 5

第三章 实验台车部件具体选型与制动系统 8

3.1船舶的选择及设计 8

3.2驱动系统选型 8

3.3撞击墙的选择 9

3.4撞击位置选择 10

3.5护舷材料体系选择 10

3.6制动系统 11

第四章 实验方案与数据测量集控方案 12

4.1实验方案 12

4.2数据测量集控方案 12

4.3数据分析系统 14

第五章 船舶吸能结构设计 18

5.1碰撞吸能装置的整体设计 18

5.2新吸能结构的设计方案 18

第六章 总结 20

参考文献 21

绪论

随着世界经济的不断发展发展，海被人类探索地也越来越频繁。各国之间的海上交易往来越来越密切，呈现多样化。船作为海上交通的重要工具，数十年来，数量也越来越多。越来越多的船只，尤其是大型的集装箱船和大型货船，在海洋上航行的安全问题也越来越关键。船舶在海上发生的碰撞会造成巨大的人命财产损失。如果考虑船员个人或国家的立场，则会完全不希望船舶发生事故。但由于存在着人为因素，碰撞事故目前还无法避免。为了减轻事故的损失，国内外众多海事组织、大型船舶公司等已经进行了详细的研究和研究。

造成船舶碰撞事故的原因很多，许多国家的研究人员试图找到减少船舶碰撞事故的方法。从船体结构的角度考虑，考虑船体的碰撞安全性，许多单壳船舶被淘汰或转化为双壳船。众多的事故报告表明，传统排水型船目前的结构并没有很好的防撞能力^[2] 、船舶结构和创新的改进空间。许多学科和研究领域与碰撞有关。撞船结构分析全球动态断裂力学的结构和动态力学和可塑性,知识,像水材料的种类很多,但也需要有一个水平有限元素分析技术的使用和理论。与非线性特性的碰撞过程具有几何非线性，材料非线性，接触非线性和运动非线性等非线性特征，整个过程的持续时间较短，一般在0.1-10秒之间。碰撞发生的船体区域可能是位于流场中。因此，严格来说，船舶碰撞问题也是流体 - 结构相互作用或水弹性问题^[2]，它的相关理论对题目的钻研也是十分有用的。

1.1研究背景和意义

在当今世界，船舶仍然是乘客和货物运输的重要通道。而船运每年在全球货物总量中所占的比例超过80％^[14]。随着航运业的发展,海事产生的频率整体呈上升趋势,而此中碰撞事故仍是占了相当大的比重。

船舶碰撞，它指的是在海上或内河水域的船只造成的伤害。统计数据显示，在海事事故中，碰撞事故发生的次数一直处于各种事故的最高点^[15]，事故的后果是毁灭性的。对货物、船体的碰撞，不仅造成了严重的危险，甚至会造成海洋的污染。例如，在2018年1月6日，“桑吉”号发生了事故，造成13.6吨凝析油持续泄露燃烧爆炸，3名船员死亡。29名船员失联的严重后果。造成船舶碰撞事故的原因有很多，许多国家的研究人员试图找到减少船舶碰撞事故后损失的方法。

如果在船上装有能减轻碰撞效果的吸能装置，那么必然会减轻碰撞损失，从而大幅提升航运的安全性。解决船舶碰撞的有效手段之一是设计船舶耐撞结构，目前国际上研究船舶碰撞都是单独设计碰撞实验，很难将这些结构系统地综合起来，本文旨在建立一个系统的对于船舶碰撞来进行研究的一个平台，如果有一个通用的平台，那么碰撞实验、结构检测将会变得方便，有效。

意义：本文主旨在于提出一个用于进行船舶碰撞吸能实验的实验平台，使船舶安全结构的效果以直观的形式呈现出来，方便人们对于船舶安全结构的检验和研究，设计一个通过吸能来减轻船舶碰撞的安全结构，并建立一套为乘客提供安全保护的耐冲击吸能船体设计方法和船舶碰撞安全评判准则。

1.2国内外研究现状

目前,国内外学者提出了一系列方法分析研究船舶的碰撞性能,如张旭的半潜式平台耐撞吸能结构研究通过数值仿真方法研究了深水半潜式海洋平台的耐撞性能^[3]，提高其耐撞性指标，即碰撞事故中单位质量的结构材料所吸收的能量。刘峰在他写的基于耐撞性的新型船体结构在船舶碰撞过程的模拟与重建里面的研究，试图从船体结构的耐撞性的角度探索减少船舶碰撞事故的危害的方法，主要包括：在一定碰撞分析的基础上，同时对现有船舶结构的耐撞性进行了优化；对现有的船舶结构得到改善。^[2]

江苏科技大学黄一鸣写了文章船舶舷侧新型耐撞结构研究，此文首先总结了船舶搁浅的概念，分类，研究背景，研究现状和已有的研究方法，并讨论了船舶搁浅的基本理论，并简要介绍了数值模拟技术和建模方法。然后完成目标船只的选择，接地情况和材料参数的定义。然后，在适当合理简化船体结构的基础上，建立了船舶的接地几何模型，模型及其网格划分，求解参数的设置和输出结果的定义。再对船体结构造成的损伤进行了数值模拟。将得到的数值结果导入后处理软件后，得到了船体结构损伤模式图、结构能量吸收曲线和接地力等结果。通过对这些结果进行对比研究，得出有指导意义的一般结论。^[9]

西南交通大学雷成等人研究的一种用于铁路车辆的新型车辆专用吸能装置。这篇文章轨道车辆新型车端专用吸能装置是基于金属薄壁结构的轴向切割和压缩作为吸能原理，设计了一种新型的列车端专用吸能装置。基于显式有限元理论，对新型吸能装置的能量吸收工艺过程进行了数值模拟，研究了切割参数对新型吸能装置吸能性能的影响，并与现有吸能装置进行了对比。^[5]

姜兴家,张鹏,吴文锋的撞击位置和初速度对被撞船舶舷侧结构的影响通过ANSYS/LS-DYNA对船舶碰撞进行建模^[1]，重点研究撞击位置和初速度改变对被撞船舷侧结构的影响^[16]。Brown等的Structural design forcrashworthiness in ship collisions优化船舶能力的碰撞油轮模型，并进行研究^[21]。

还有国外的M.A.G. Calle,R.E. Oshiro,M. Alves. 写的Ship collision and grounding: Scaled experiments and numerical analysis他们进行了T梁横截面的碰撞测试,一艘油轮的正面碰撞刚性墙,其中一船固定,两油轮相撞的实验^[19]。

综上所诉，目前国内外的船舶碰撞方面大体都是自己设计一个模拟或者实物的实验，并没有一个能够完整，系统地进行船舶碰撞实验的一个平台。

1.3本文主要研究内容

本文旨在设计一个船舶碰撞实验平台用来进行船舶碰撞实验，研究船舶耐撞结构的性能。

根据本文所要研究的内容，本文主要分为六章：

第一章绪论简述了论文的选题背景及研究意义，介绍了国内外船舶碰撞的研究现状和技术，同时简述了本文拟开展的主要工作。

第二章船舶碰撞吸能实验台车整体设计根据船舶碰撞实验整体需求，定义了船舶整船碰撞的场景，提出了船舶碰撞吸能实验台车的整体布局和各部件的意义，并对实验台车有个整体的设计。

第三章基于船舶碰撞吸能实验台车设计，根据船舶碰撞实验的需要选择实验台车的部件，并设计出一个有效的制动系统。

第四章建立了考虑船舶碰撞情况的实验方案，并根据实际实验需求情况建立了数据测量与集控的方案，并设计数据分析系统

第五章基于船舶碰撞吸能实验平台，提出了一种设立在舱室的被动吸能装置

第六章是对全文进行总结和展望。

船舶碰撞吸能实验台车整体设计

2.1概述

船舶碰撞吸能实验平台主要是碰撞试验场所和数据处理实验室、碰撞试验场所需要碰撞装置和检测装置，而实验船可以提供动力，还可以控制电缆机的电缆速度。数据处理实验室用以进行数据处理和集控的工作。

本课题设计的模拟试验台结构特点并不复杂，主要机械结构部分包括船池、造波机、固定船体、撞击墙、航向稳定机构、实验船体、拖缆绞车、高速摄像系统、红外光电测速系统、超声波测距系统、瞬态压力测试系统、稳态压力测试系统等测量系统。

2.2实验台车布局方案

船舶碰撞吸能实验平台总体设计

其中船舶碰撞吸能实验平台主要应包括碰撞实验场所和数据处理实验室，其中碰撞实验场所需求有碰撞装置和测量设备，实验船由拖缆绞车提供动力，控制拖缆绞车的绞缆速度即可控制船速，还需要造波机等设备制造水上环境，测量装置测量具体数据，数据传输到数据处理实验室进行数据处理。

船舶碰撞吸能实验平台实验方案

设想了两个实验方案

1、船舶以恒定速度与刚性撞击平台进行模拟撞击桥梁实验。

2、船舶以恒定速度与固定船舶撞击进行模拟撞船实验。

船舶碰撞实验大体可分为如下3个阶段：

（1）用拖缆绞车绞缆使实验船获得预定的速度（10m/s）；

（2）控制拖缆绞车以匀速绞缆，实验船以预定的速度作匀速的自由运动；

（3）探杆与第一排金属棒材接触，在金属棒材的阻尼作用下台车装置开始作减速运动，直至速度减为0，试验结束。

清华大学碰撞实验室研制了液压节流阀缓冲器。液压节流缓冲器是高速运行设备的一种有效的安全保护装置。它广泛应用于起重机、电梯和车辆机械中，但在传统的工程设计中，仅作了估算。对缓冲波形和仿真精度的要求相对较低。在模拟碰撞试验中，需要对缓冲器的波形进行精确的控制，因此有必要设计和调试高精度的仿真计算。

在撞击前，蓄能器预先充满氮气。当碰撞物撞上活塞时，液压油从节流孔压缩到外腔，外腔通过回油孔与低压腔通讯，节流孔产生的阻尼力在碰撞物上制动。碰撞物的动能大部分转化为液压油的热能，部分能量储存在蓄能器中，节流阀孔沿活塞行程分布不同距离。通过更换不同尺寸的节气门螺钉，可以控制每个孔的尺寸。这样，就可以根据不同的碰撞要求来控制缓冲器的碰撞波形。

考虑到湍流条件下小孔节流流动的特点，偏心环缝流动特性，油压缩率，活塞运动特性和缓冲机械特性等，而动力特性是主要考虑因素。考虑到台车两次模拟碰撞之间的时间间隔太长，温度对模型影响不大，所以温度效应被忽略。

为了测试船舶的不同部件，缓冲器必须能够以不同的速度模拟船舶的碰撞波形。由于多孔液压减震器的结构，难以准确地模拟真实船舶的碰撞波形。从统计的角度来看，模拟某次真实船舶碰撞的波形是没有意义的。缓冲器可以模拟碰撞过程中的加速度峰值和脉冲宽度等重要参数，这是足够的，由于实际船舶碰撞的速度特性与液压缓冲器的速度特性不同，因此需要调整缓冲器的方法来适应以不同的速度满足碰撞测试的需求。

2.3 实验台车

实验台车的结构由导船池、造波机、固定船体、撞击墙、实验船体、拖缆绞车、高速摄像系统、红外光电测速系统、超声波测距系统、瞬态压力测试系统、稳态压力测试系统组成。组成结构图如下2-3所示。

图2-3 实验台车示意图

拖缆绞车：拖缆绞车是绞车的一种。目前国内船用绞车有最大的350吨船用绞车，设备重量可达150吨。拖缆绞车是拖轮牵引驳船的主要设备，主要是较大型的船用绞车，主要由液压驱动。按照卷筒的形式分为单卷和双卷。根据卷筒的分布情况，卷筒前后有两个平行卷筒和两个前后卷筒。绞车，也称卷扬机，是用卷筒缠绕钢丝绳或链条以提升或牵引重物的轻小型起重设备。绞车可以单独使用，也可以用作起重机械，道路建设和矿山吊装等机械部件。由于其操作简单，拉绳量大，移动方便等特点，被广泛应用。该产品通用性强，结构紧凑，体积小，重量轻，起重量大，使用和搬运方便。广泛用于建筑，水利工程，林业，采矿，码头等物料的起吊或拖拽。在本文中用来作为船舶动力来源。

图2-4 拖缆绞车实物图

导船池：大体来说一般的拖曳水池就包括一个长方形的池子，池子一端会设置造波机，可根据需要的工况造出不同波谱的波浪来，沿长度方向有条导轨，导轨上会架一座桥，桥上一般都会摆放各种设备。如果要做模拟船舶在静水中的匀速航行试验，那么就把实验船用拖缆绞车以设定好的速度，拖着实验船前进，这时候就可以测数据了；如果要测风浪流条件下实验船的受力和运动，就将实验船用拖缆绞车拉着，开动造波机，就可以测了。

造波机：作为一种重要的实验室设备，在船舶、港口、海洋海岸和工程方面中占据了一个重要的位置。造波机是支持波浪测试池的基础设施。它的作用是在测试池中创建不同波长和波高的波，以模拟实际波浪对船舶或建筑物的影响，从而确定各种技术数据。为相关设计提供依据。

图2-5 造波机原理图

实验船体：碰撞所用船体

导航装置和其他导航测试设备的测试:这是几个导航装置的试验。例如，通过测量磁的指南针的差异、测量偏差、调节放射线的测量和误差，确定误差，并正确地确定测量器。

高速摄像系统：一个动态的图像是需要大量以特定时间速率播放的静态图像和动态图像，而高速摄像机通常可以具有1000至10,000帧非常高的频率记录动态图像。高速运动的目标暴露于自然光或人工辅助照明光中以产生反射光，或者运动目标自身发光，并且这些光的一部分通过高速成像系统的成像目标。在目标透镜成像时，其落在光电成像装置的图像感测表面上，并且由驱动电路控制的光电子装置将快速响应于图像感测表面上的目标图像，即，根据目标图像的分布光能量在图像传感表面上，每个采样点，即像素，产生响应大小的电荷包，并且完成图像的光电转换。带有图像信息的每个电荷包被快速传送到读取寄存器。读出信号由信号处理并传送到计算机。计算机读出并显示图像并进行解释并输出结果。因此，一个完整的高速成像系统由光学成像，光电成像，信号传输，控制，图像存储和处理组成。

图2-5 一种高速摄像机

红外光电测速系统：是一种基于红外的测速系统。根据功能分为5种，按探测器分为光电探测器和热探测器。红外传感技术被广泛应用于现代科学技术，国家国防，农业等领域。红外技术也被广泛应用于测速系统中，许多产品可以利用红外技术来实现车辆的测量，检测等研究。

超声波距离测量系统的原理是超声波发射装置是超声波的，其基础是超声波接收器接收时的时间差。超声波发射器向一个方向发射超声波，并在发射时同时开始倒计时。在空中传播时，障碍物立即返回，超声波接收器接收到反射波后立即停止倒计时。通过发射驱动电路中，超声波传感器的发射端振动并发射超声波。超声波通过发射物体反射回来，从传感器的接收端接收，再由接收电路放大并整形。在嵌入式微核超声测量系统中，超声波发射时间和反射波时间被记录在嵌入式设备上。当接收到超声反射波时，在接收电路的输出处发生跳变。通过计数定时器并计算时间来计算距离。

实验台车部件具体选型与制动系统

船体结构的抗冲击强度是否满足设计要求，会影响整个试验的安全性。为了提高船体结构在工作中的质量可靠性，必须优化设计方案，并深入分析设计过程的内容。以确保船体结构的冲击设计的合理性，从目前正在使用的效果表明具有高度的耐压性。

当一艘船与珊瑚礁发生碰撞时，船体结构被破坏，船体的安全性下降，船舶的通常使用面临风险。在这种情况的影响下，许多研究人员认为加强船体结构的碰撞是主要的研究目标，但为了增加折射板层结构的稳定性，会带来可靠性高的根据。船体结构的抗冲击设计主要集中在吸能装置上。先进的方式有效地选择台车部件和制动系统对于改善实验台车的性能是必不可少的。

3.1船舶的选择及设计

选用一艘排水量约为100t的船体作为撞击船。

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