随着世界经济的快速发展,海上航行船舶的数量不断增加,海洋航线愈发稠密,船舶碰撞搁浅事故的发生也愈发频繁。船舶搁浅与碰撞事故已成为导致船体破损,引发人员伤亡、环境污染与经济损失的主要原因。因此,开展船体结构在碰撞搁浅场景下的响应研究,揭示其损伤变形机理,对于开展基于事故载荷的船体结构设计具有重要意义。船舶碰撞搁浅场景下的结构响应评估方法主要有试验法、非线性有限元法及简化解析法。实尺度试验花费巨大且受限于测试技术难以开展,因此大多通过模型试验或者缩尺试验揭示结构的损伤特性;有限元法能够真实再现结构的损伤变形,计算碰撞搁浅过程中的接触载荷和能量转化,被国内外学者广泛使用,但合理可靠的参数输入是保证仿真结果准确性的基础;简化解析法基于塑性变形机理分析,能够抓住结构的主要变形模态,适用于事故应急处理机制和结构防撞性初步设计。本文以国家自然科学基金项目为依托,通过分析确定船体构件的碰撞搁浅场景,设计开展准静态冲压载荷下典型船体结构的损伤特性分析试验,并进行相应的数值仿真计算,根据试验和仿真得到的结构损伤变形过程,建立相关力学模型,开展船舶碰撞搁浅事故下船体典型构件损伤变形机理的理论预报方法研究。此外,通过建立船体结构-礁石-流场相耦合的仿真计算模型,对74,500 DWT油船搁浅(坐礁)性能进行了分析。论文主要研究内容如下:(1)归纳整理了船舶碰撞搁浅领域的国内外研究现状和主要研究内容及方法,提出了本文的研究意义和主要研究内容。(2)总结了简化解析计算方法的基本原理、基本公式和计算步骤,重点介绍了船舶碰撞搁浅事故中船体构件常见的损伤变形模式及简化解析方法的应用;针对非线性有限元数值仿真技术,讨论了材料非线性仿真输入问题,为后续理论预报方法的确定和非线性有限元方法的应用奠定基础。(3)以船体板架结构作为研究对象,通过开展船体平板及加筋板结构模型的准静态冲压试验以及相应的数值仿真计算,分析其在楔形和球形锤头作用下的结构响应,得到结构损伤变形过程特点,基于塑性力学理论,分别对平板和加筋板在楔形和球形锤头撞击下的损伤变形机理进行研究,建立相应的理论预报公式,并以试验结果为依据对其进行验证完善。(4)以船体强桁材结构为研究对象,通过开展船体强桁材模型的准静态冲压试验以及相应的数值仿真计算,分析三种不同形式(不加筋、横向加筋、垂向加筋)以及不同参数(加筋位置)强桁材结构在面内冲压载荷作用下的结构响应,得到结构损伤变形过程特点,在此基础上确定不加筋和垂向加筋强桁材面内受压时的变形模式,运用塑性力学理论,推导出结构变形能和结构变形抗力的理论预报公式,并以试验结果为依据对其进行验证完善。(5)以74,500 DWT油船油舱舱段结构为研究对象,基于结构-礁石-流场耦合技术,利用非线性有限元软件ABAQUS对舱段结构搁浅(坐礁)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评估船底结构的搁浅性能。