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橋墩安全防護設施碰撞模擬研究

文檔作者：李勇楊曼娟文檔來源：交通運輸部公路科學研究院		點擊數：	更新時間： 2021年06月03日
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第23卷第6期
2010年11月
機電產品開簋與剴新
Development＆Innovation of Machinery＆Electrical Products
V01．23．No．6
Nov．，201 0
文章編號：1002-6673(2010)06-088-03
橋墩安全防護設施碰撞模擬研究
李勇．楊曼娟
(交通運輸部公路科學研究院。北京100088)
摘要：總結了船橋碰撞分析的有限元計算基本理論框架．運用非線性有限元技術建立了船舶與橋墩的有限
元碰撞模型。利用流固耦合的方法，分別分析了有無防護設施的橋墩在船舶碰撞時的能量轉化、碰
撞力時程變化，并對比了有無防護設施的橋墩受力情況。實現了船與橋墩、船與橋墩防護設施碰撞
過程的數值模擬。
關鍵詞：船與橋墩相撞；橋墩防護設施；有限元分析
中圖分類號：U417；骶)29 文獻標識碼：A doi：10．3969／j．issn．1002—6673．2010．06．034
Collision Simulation Study of Bridge Pier Security Facilities
LI Yong，YANG Man-．hum
(Research Imtitute of Highway Ministry of Tramporc，Beijing 100088，China)
Abstract：The FEA basic theorefical丘amework of ship collision謝dl bridge pier WaS summarized in this paper．The ship and the bridge pier
finite dement model were established by the use of nonlinear finite element techniques．By using fluid—structure interaction method，the energy
convenion process and the collision force of bridge pier謝tll protective equipment and non—protective equipment were analyzed,and
the s1R％鼯of both situatiom were compared．NumericM simulation of the ship and bridge pier．ship and the bridge pier protection facilities
collision were realized in this paper．
Key words：collision of sMp and bridge pier；bridge pier security facilities；FEA
0引言
船橋碰撞是一個十分復雜的碰撞動力學問題。涉及
了多個學科。由于實際航道上的航行船舶類型及尺度離
散性大，橋墩型式也各有不同，船舶撞擊橋墩的方位和
形式也是隨機和多樣的。計算結果與實際常有較大的差
距。因此進行更細致的船橋碰撞動力學理論分析及計
算，對于碰撞力的確定和防護設施效能的提高都是十分
必要的。
到目前為止。船橋碰撞的計算理論已由早期的Mi．
norsky碰撞理論發(fā)展到了有限元仿真方法。有限元仿真
方法為船橋碰撞力學問題的研究提供了新的技術手段。。
并很大程度上拓展了研究者的思路。逐漸成為目前碰撞
分析最有效的方法之一。
收稿日期：2010—10—20
基金項目：交通運輸部公路科學研究院青年基金支持(2008-9026)
作者簡介：李勇(1978-)，男，高級工程師；楊曼娟(1982-)，
女．工程師。
88
1非線性有限元動態(tài)數值仿真
船和橋墩及橋墩防護設施的碰撞是一動態(tài)的大位移
和大變形的過程。接觸和沖擊載荷都影響著碰撞的全過
程。系統(tǒng)具有幾何非線性和材料非線性等多重非線性。
本文的有限元計算分析所采用的軟件LS—DYNA是顯式
非線性動力分析通用有限元程序。
1．1非線性有限元控制方程
船橋碰撞問題的運動方程可以表示為：
【M】cryx5gw+【C】dtrpwmt+【K】tsqoels={I卜' (1)
式中：【M卜。質量矩陣；{d卜一阻尼矩陣；【C】一剛度矩
陣；{d J一加速度向量；5fv9cah一速度向量．【K】一位移向量；
{聃一為包括碰撞力在內的外力向量。若令(pl=【C】(d l+
【Kl{d1，并設IP}={F曩卜{p}，則式(1)也可以寫成：
【M】Idl={P} (2)
如果采用集中質量。即質量矩陣M變成對角矩陣，
那么各個自由度的方程將是相互獨立的．即
萬方數據
·制造業(yè)信息化·
【Md{d；}={r} (3)
1．2顯式求解方法
采用顯式方法求解碰撞運動方程，首先由方程式(3)
直接求出：
Id tJ-【Mirl(Fi} (4)
然后對時間積分獲得速度，再積分一次獲得位移。
這里采用中心差分的顯示格式來進行時間積分。中心差
分的顯式格式為：
k一：{d n．-i／2)+{Jl墜卑掣
．
‘
?
1{dn+l}={d。)+{d n+l／2}△t。。，2 (5)
I^+ 一(At．+At。+1)
I“葉1壙2
應用顯式中心差分法求解碰撞問題時．特別值得注
意的是時間步長的選?。畬嵭兄幸宰钚∮邢迒卧W格的
特征長度除以應力波速來定義最小時間步長．即：
△ts△k=lllin(I肌) (6)
1．3碰撞中的接觸算法
相撞結構之間的相互作用通過接觸算法來完成。在
可能發(fā)生接觸作用的結構之間定義接觸面．接觸面能有
效地模擬相撞結構之間的相互作用．并允許結構之間連
續(xù)不斷的接觸和滑動。本項目使用的是主從面接觸算
法，在求解的每一時間步，檢查從屬節(jié)點的位置坐標，
看它是否已經穿透主面。如果還沒有穿透。則計算工作
不受影響的繼續(xù)進行；如果已經穿透，則在垂直于主面
的方向上施加一作用力．以阻止從屬節(jié)點的進一步穿
透，這個作用力就是接觸力。接觸力的大小取決于穿透
量和接觸面兩側的單元特性。
1．4流固耦合技術
船橋碰撞與陸上結構碰撞相比較為特殊的是船舶周
圍的介質——水對碰撞運動的影響不可忽略。在有限元
仿真計算中對流體作用力的處理方法。通常有附加質量
法和流固耦合法。附加質量主要用以反映船體和流體之
間的相互作用，它的大小取決于相撞船舶的型線特征、
碰撞歷程等，精確的計算是相當復雜和困難的。這是目
前進行船舶碰撞有限元分析最常用的方法。流固耦合法
是將相撞船舶周圍的水劃分成一定數量的歐拉有限元．
用有限體積法進行計算。并采用流體——結構耦合算法
同步計算結構變形和舷外流場的改變及其動力作用。因
而它能給出最佳的物理近似和最接近真實的碰撞計算結
果。這是目前最準確的仿真方法。
2計算模型
通過對重慶主城區(qū)主要通航橋梁的調查．我們選擇
了如下的船舶和橋梁作為本文研究的模型原形。
通過對已應用的多種橋墩防護設施進行分析，選擇
圈l本文船舶和橋墩原形
ng．1 The prototypes of ship and bridge pier
常用的混凝土套箱式結構作為本文的研究對象。該結構
安裝在承臺周圍。在承臺與橋墩之間安裝大量的橡膠
件，受到船舶撞擊時。主要靠船艏的塑性變形和橡膠件
的彈性變形吸收能量。建立的船舶、橋墩和有防護設施
的橋墩模型如圖2所示。
圖2船舶、橋墩、有防護設施的橋墩模型
Fig．2 Models of ship．bridge pier,bridge pier誦th protective
facilities
3計算結果分析對比
3．1船舶與無防護設施的橋墩碰撞分析
圖3左邊為船舶碰撞過程中三個方向的碰撞力時序
曲線。從圖中可以看出，碰撞力曲線具有很強的非線性
特征。在碰撞過程的不同階段，船體結構出現了不同程
度的卸載現象。值得指出的是。碰撞力的每一次卸載都
代表了某種構件的失效或破壞。本算例中碰撞力的下降
主要是由船鼻和甲板的動態(tài)屈曲造成的。
圖3船舶與無防撞設施的橋墩碰擅過程中碰撞力分析和能量
轉化過程
Fig．3 Analysis of impact force and the energy conversion
process during the collision of ship and bridge pier without
protection facilities
圖3右邊反映了碰撞過程中撞擊船的動能損失和能
量轉換情況。從理論上講，撞擊船的動能損失主要由結
構的塑性大變形、橋墩的破壞變形以及周圍流體介質的
強迫運動所吸收。但從圖中可以明顯看出，在高速碰撞
萬方數據
·制造業(yè)信息化·
條件下撞擊船所損失的動能基本上轉化為船舶結構的塑
性變形能，被撞船鋼體運動所消耗的能量很少。
3．2船舶與有防護設施的橋墩碰撞分析
圖4左邊為船舶碰撞有防護設施的橋墩過程中三個
方向的碰撞力時程曲線。從圖中可以看出，碰撞力曲線
同樣具有很強的非線性特征。與沒有防撞設施的時候大
致相同，在碰撞過程的不同階段。船體結構出現了不同
程度的卸載現象。
圖4船舶與有防撞設施的橋墩碰撞過程中碰撞力分析和能量
轉化過程
rig．4 Analysis of impact force and the energy conversion
process during the collision of ship and bridge pier with
protection facilities
圖4右邊反映了碰撞過程中撞擊船的動能損失和能
量轉換情況。從圖中可以明顯看出。在高速碰撞條件下
撞擊船所損失的動能基本上轉化為船舶結構的塑性變形
能和橋墩防撞設施的破壞而吸收的能量．被撞船鋼體運
動所消耗的能量很少。
3．3有無防護設施的橋墩對比分析
橋墩的防護設施主要功能就是在船舶發(fā)生與之碰撞
的時候，利用吸能材料破壞來吸收船舶的動能。從而減
少對橋墩的沖擊，達到保護橋墩的作用。圖5為有防撞
設施和無防撞設施在船舶撞擊下的應力比較。
圖5有無防撞設施的橋墩應力曲線對比
Fig s Stress CHIVe comparisons of protection facilities and
non-protection facilities
從上面兩種情況的應力曲線來看。加裝了防撞設施
的橋墩在相同的碰撞條件下。其所受到的平均應力值減
少了30％，其碰撞能量由防撞設施吸收了大部分，有效
的減少了對橋墩本身的傷害。減輕了橋墩所受到的沖擊
能量。
4總結
(1)本文利用Ls—dyna采用了顯式瞬態(tài)非線性有限
元分析技術對船舶碰撞過程進行成功的數值仿真分析。
且由于同步處理船體運動和流體動力問題，流固耦合方
法的仿真計算結果具有最高的精度。但應該看到，流固
耦合分析計算所占的CPU時間非常長，本文利用8節(jié)
點HPC機群進行計算。計算時間超過150小時。
(2)碰撞損傷變形具有明顯的局部性，基本上集中
在船鼻和船頭。損傷變形主要表現為塑性變形。
(3)通過船舶與有無防護設施橋墩的碰撞計算分
析。獲得了兩種碰撞過程中的碰撞力時序曲線、能量轉
化過程以及橋墩應力等計算結果。
(4)本文通過粗略分析得知，與無防撞設施的橋墩
相比．加裝了防撞設施的橋墩在相同的碰撞條件下，其
所受到的平均應力值減少了30n／o．其碰撞能量由防撞設
施吸收了大部分，有效的減少了對橋墩本身的傷害，減
輕了橋墩所受到的沖擊能量。
參考文獻：
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