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橋墩安全防護(hù)設(shè)施碰撞模擬研究

文檔作者：李勇楊曼娟文檔來(lái)源：交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月03日
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第23卷第6期
2010年11月
機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)簋與剴新
Development＆Innovation of Machinery＆Electrical Products
V01．23．No．6
Nov．，201 0
文章編號(hào)：1002-6673(2010)06-088-03
橋墩安全防護(hù)設(shè)施碰撞模擬研究
李勇．楊曼娟
(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院。北京100088)
摘要：總結(jié)了船橋碰撞分析的有限元計(jì)算基本理論框架．運(yùn)用非線性有限元技術(shù)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(wú)防護(hù)設(shè)施的橋墩在船舶碰撞時(shí)的能量轉(zhuǎn)化、碰
撞力時(shí)程變化，并對(duì)比了有無(wú)防護(hù)設(shè)施的橋墩受力情況。實(shí)現(xiàn)了船與橋墩、船與橋墩防護(hù)設(shè)施碰撞
過(guò)程的數(shù)值模擬。
關(guān)鍵詞：船與橋墩相撞；橋墩防護(hù)設(shè)施；有限元分析
中圖分類號(hào)：U417；骶)29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(gè)十分復(fù)雜的碰撞動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。涉及
了多個(gè)學(xué)科。由于實(shí)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(jī)和多樣的。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際常有較大的差
距。因此進(jìn)行更細(xì)致的船橋碰撞動(dòng)力學(xué)理論分析及計(jì)
算，對(duì)于碰撞力的確定和防護(hù)設(shè)施效能的提高都是十分
必要的。
到目前為止。船橋碰撞的計(jì)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(xué)問(wèn)題的研究提供了新的技術(shù)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(xiàng)目：交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院青年基金支持(2008-9026)
作者簡(jiǎn)介：李勇(1978-)，男，高級(jí)工程師；楊曼娟(1982-)，
女．工程師。
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1非線性有限元?jiǎng)討B(tài)數(shù)值仿真
船和橋墩及橋墩防護(hù)設(shè)施的碰撞是一動(dòng)態(tài)的大位移
和大變形的過(guò)程。接觸和沖擊載荷都影響著碰撞的全過(guò)
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(jì)算分析所采用的軟件LS—DYNA是顯式
非線性動(dòng)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(wèn)題的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：
【M】ogfjp55+【C】ogfjp55+【K】ogfjp55={I卜' (1)
式中：【M卜。質(zhì)量矩陣；{d卜一阻尼矩陣；【C】一剛度矩
陣；{d J一加速度向量；ogfjp55一速度向量．【K】一位移向量；
{聃一為包括碰撞力在內(nèi)的外力向量。若令(pl=【C】(d l+
【Kl{d1，并設(shè)IP}={F曩卜{p}，則式(1)也可以寫(xiě)成：
【M】Idl={P} (2)
如果采用集中質(zhì)量。即質(zhì)量矩陣M變成對(duì)角矩陣，
那么各個(gè)自由度的方程將是相互獨(dú)立的．即
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
·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(yùn)動(dòng)方程，首先由方程式(3)
直接求出：
Id tJ-【Mirl(Fi} (4)
然后對(duì)時(shí)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(lái)進(jìn)行時(shí)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(yīng)用顯式中心差分法求解碰撞問(wèn)題時(shí)．特別值得注
意的是時(shí)間步長(zhǎng)的選?。畬?shí)行中以最小有限單元網(wǎng)格的
特征長(zhǎng)度除以應(yīng)力波速來(lái)定義最小時(shí)間步長(zhǎng)．即：
△ts△k=lllin(I肌) (6)
1．3碰撞中的接觸算法
相撞結(jié)構(gòu)之間的相互作用通過(guò)接觸算法來(lái)完成。在
可能發(fā)生接觸作用的結(jié)構(gòu)之間定義接觸面．接觸面能有
效地模擬相撞結(jié)構(gòu)之間的相互作用．并允許結(jié)構(gòu)之間連
續(xù)不斷的接觸和滑動(dòng)。本項(xiàng)目使用的是主從面接觸算
法，在求解的每一時(shí)間步，檢查從屬節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，
看它是否已經(jīng)穿透主面。如果還沒(méi)有穿透。則計(jì)算工作
不受影響的繼續(xù)進(jìn)行；如果已經(jīng)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(diǎn)的進(jìn)一步穿
透，這個(gè)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(cè)的單元特性。
1．4流固耦合技術(shù)
船橋碰撞與陸上結(jié)構(gòu)碰撞相比較為特殊的是船舶周
圍的介質(zhì)——水對(duì)碰撞運(yùn)動(dòng)的影響不可忽略。在有限元
仿真計(jì)算中對(duì)流體作用力的處理方法。通常有附加質(zhì)量
法和流固耦合法。附加質(zhì)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(jì)算是相當(dāng)復(fù)雜和困難的。這是目
前進(jìn)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?chē)乃畡澐殖梢欢〝?shù)量的歐拉有限元．
用有限體積法進(jìn)行計(jì)算。并采用流體——結(jié)構(gòu)耦合算法
同步計(jì)算結(jié)構(gòu)變形和舷外流場(chǎng)的改變及其動(dòng)力作用。因
而它能給出最佳的物理近似和最接近真實(shí)的碰撞計(jì)算結(jié)
果。這是目前最準(zhǔn)確的仿真方法。
2計(jì)算模型
通過(guò)對(duì)重慶主城區(qū)主要通航橋梁的調(diào)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(guò)對(duì)已應(yīng)用的多種橋墩防護(hù)設(shè)施進(jìn)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(jié)構(gòu)作為本文的研究對(duì)象。該結(jié)構(gòu)
安裝在承臺(tái)周?chē)?。在承臺(tái)與橋墩之間安裝大量的橡膠
件，受到船舶撞擊時(shí)。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(hù)設(shè)施
的橋墩模型如圖2所示。
圖2船舶、橋墩、有防護(hù)設(shè)施的橋墩模型
Fig．2 Models of ship．bridge pier,bridge pier誦th protective
facilities
3計(jì)算結(jié)果分析對(duì)比
3．1船舶與無(wú)防護(hù)設(shè)施的橋墩碰撞分析
圖3左邊為船舶碰撞過(guò)程中三個(gè)方向的碰撞力時(shí)序
曲線。從圖中可以看出，碰撞力曲線具有很強(qiáng)的非線性
特征。在碰撞過(guò)程的不同階段，船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程
度的卸載現(xiàn)象。值得指出的是。碰撞力的每一次卸載都
代表了某種構(gòu)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(dòng)態(tài)屈曲造成的。
圖3船舶與無(wú)防撞設(shè)施的橋墩碰擅過(guò)程中碰撞力分析和能量
轉(zhuǎn)化過(guò)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(guò)程中撞擊船的動(dòng)能損失和能
量轉(zhuǎn)換情況。從理論上講，撞擊船的動(dòng)能損失主要由結(jié)
構(gòu)的塑性大變形、橋墩的破壞變形以及周?chē)黧w介質(zhì)的
強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)所吸收。但從圖中可以明顯看出，在高速碰撞
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
·制造業(yè)信息化·
條件下撞擊船所損失的動(dòng)能基本上轉(zhuǎn)化為船舶結(jié)構(gòu)的塑
性變形能，被撞船鋼體運(yùn)動(dòng)所消耗的能量很少。
3．2船舶與有防護(hù)設(shè)施的橋墩碰撞分析
圖4左邊為船舶碰撞有防護(hù)設(shè)施的橋墩過(guò)程中三個(gè)
方向的碰撞力時(shí)程曲線。從圖中可以看出，碰撞力曲線
同樣具有很強(qiáng)的非線性特征。與沒(méi)有防撞設(shè)施的時(shí)候大
致相同，在碰撞過(guò)程的不同階段。船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同
程度的卸載現(xiàn)象。
圖4船舶與有防撞設(shè)施的橋墩碰撞過(guò)程中碰撞力分析和能量
轉(zhuǎn)化過(guò)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(guò)程中撞擊船的動(dòng)能損失和能
量轉(zhuǎn)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(dòng)能基本上轉(zhuǎn)化為船舶結(jié)構(gòu)的塑性變形
能和橋墩防撞設(shè)施的破壞而吸收的能量．被撞船鋼體運(yùn)
動(dòng)所消耗的能量很少。
3．3有無(wú)防護(hù)設(shè)施的橋墩對(duì)比分析
橋墩的防護(hù)設(shè)施主要功能就是在船舶發(fā)生與之碰撞
的時(shí)候，利用吸能材料破壞來(lái)吸收船舶的動(dòng)能。從而減
少對(duì)橋墩的沖擊，達(dá)到保護(hù)橋墩的作用。圖5為有防撞
設(shè)施和無(wú)防撞設(shè)施在船舶撞擊下的應(yīng)力比較。
圖5有無(wú)防撞設(shè)施的橋墩應(yīng)力曲線對(duì)比
Fig s Stress CHIVe comparisons of protection facilities and
non-protection facilities
從上面兩種情況的應(yīng)力曲線來(lái)看。加裝了防撞設(shè)施
的橋墩在相同的碰撞條件下。其所受到的平均應(yīng)力值減
少了30％，其碰撞能量由防撞設(shè)施吸收了大部分，有效
的減少了對(duì)橋墩本身的傷害。減輕了橋墩所受到的沖擊
能量。
4總結(jié)
(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(shù)對(duì)船舶碰撞過(guò)程進(jìn)行成功的數(shù)值仿真分析。
且由于同步處理船體運(yùn)動(dòng)和流體動(dòng)力問(wèn)題，流固耦合方
法的仿真計(jì)算結(jié)果具有最高的精度。但應(yīng)該看到，流固
耦合分析計(jì)算所占的CPU時(shí)間非常長(zhǎng)，本文利用8節(jié)
點(diǎn)HPC機(jī)群進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)間超過(guò)150小時(shí)。
(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(xiàn)為塑性變形。
(3)通過(guò)船舶與有無(wú)防護(hù)設(shè)施橋墩的碰撞計(jì)算分
析。獲得了兩種碰撞過(guò)程中的碰撞力時(shí)序曲線、能量轉(zhuǎn)
化過(guò)程以及橋墩應(yīng)力等計(jì)算結(jié)果。
(4)本文通過(guò)粗略分析得知，與無(wú)防撞設(shè)施的橋墩
相比．加裝了防撞設(shè)施的橋墩在相同的碰撞條件下，其
所受到的平均應(yīng)力值減少了30n／o．其碰撞能量由防撞設(shè)
施吸收了大部分，有效的減少了對(duì)橋墩本身的傷害，減
輕了橋墩所受到的沖擊能量。
參考文獻(xiàn)：
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