船舶撞击桥墩防撞钢套箱有限元数值模拟分析

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1、第12期北方交通·33·船舶撞击桥墩防撞钢套箱有限元数值模拟分析殷华涛张海田翠翠(沈阳建筑大学土木工程学院,沈阳110168)摘要:采用ANSYS/LS-DYNA10.0模拟某斜拉桥在带防撞钢套箱情况下的船舶撞击。防撞装置采用较为普遍的钢套箱,船舶使用3000DWT的油轮。结果表明钢套箱能有效抵抗船舶撞击力,起到保护桥梁的作用;应加强横桥向防撞能力的设计。关键词:斜拉桥;船撞桥;防撞钢套箱;数值仿真+中图分类号:U445.556文献标识码:B文章编号:1673-6052(2009)12-0033-03随着经济发展步伐的加快,

2、越来越多的跨江、海确的解析数学模型。目前常用的方法包括:Minor2[1][2][3]桥梁已投入使用或正在修建,同时大型船舶的航线sky方法、汉斯-德鲁彻方法、简化解析法、也越来越繁忙,在水路与陆路交通交叉口时常发生有限元法,其中有限元法最能体现碰撞的反应机理,船舶与桥相撞事故,造成桥毁、船沉、人亡的严重后并且计算结果也最为精确。有限元法中船舶碰撞的果,给社会经济发展带来不可挽回的损失。据统计,数学模型:1960～1993年全世界因船撞桥导致29座大桥倒ÂMX(t)=P(x,t)-F(x,xÛ)-CXÛ(1)塌,死亡321人

3、;近期我国九江大桥发生船撞桥事[4]1.1沙漏控制故,导致四孔非通航孔桥坍塌。为确保桥梁、船舶、沙漏是一种以比结构全局响应高得多的频率振人三者安全,需要在桥墩部位增设防撞设施,在事故荡零能变形模式,在缩减积分方案中产生会导致结发生时减小三者的损失。果无效。防止沙漏变形的有效方法是采用带沙漏控桥墩的防护系统是多种多样,性能和适用场所制的缩减积分方案。ANSYS/LS-DYNA采用沙漏各不相同。本文根据某斜拉桥的工程特点和水文条粘性阻尼来控制沙漏模态。将各节点的沙漏粘性阻件选用钢围堰形式的防撞装置,钢围堰是桥梁基础尼力组集成总体

4、结构沙漏粘性阻尼力。因此非线性工程理想的结构物,即可起到基础工程施工时的围运动方程为:水与施工平台作用,又可参与部分结构受力,利用钢Â围堰充当永久性防撞设施是一种经济可行的方案。MX(t)=P(x,t)-F(x,xÛ)-CXÛ+H(2)而钢套箱作为钢围堰形式的一种已普遍应用于各类[5]1.2显示中心差分算法及时步长控制桥梁的防撞设计之中。故研究钢套箱在船舶撞击情ANSYS/LS-DYNA采用变时步长增量解法,每况下的防撞性能有十分重要的意义。本文拟以某斜一时刻的时间步长是由当前构型的稳定性控制。中拉桥为例,采用ANSYS/L

5、S-DYNA10.0进行数值心差分法需要采用对角化质量矩阵,临界时间步长模拟,求出在船舶撞击下防撞装置的变形吸能及其的计算公式要求质量矩阵的所有对角元素不为零。对桥墩的保护作用,为斜拉桥的防撞设计提供有益1.3材料模型[6]参考。因为碰撞是一个采用非线性动态响应过程,材1碰撞基本理论料一般要进入塑性流动阶段。故采用Cowper-sym2船舶撞击斜拉桥防撞设施过程是在瞬间发生的onds模型,屈服应力与应变率关系式:一种复杂的大位移、大变形非线性动态响应过程,并εÛ1effσ=1+()P(σ+βEε)(3)y0pp且表现出强烈的

6、几何非线性、材料非线性和接触非c[6]线性,碰撞过程中不确定因素很多,很难建立一个精1.4接触算法与摩擦·34·北方交通2009罚函数法的基本原理:在每一个时间部首先检30cm左右。钢套箱单元数153782个,桥墩受到的碰查各从节点是否穿透主面,如果没有穿透不作任何撞力大小是检验防护装置的重要指标。如果通过防撞处理。如果穿透,则在该从节点与被穿透主面间引装置压坏吸能作用后传到桥墩上的作用力小于桥墩设入一个较大的界面接触力,其大小与穿透深度、主面计船撞力,那么防护装置有效,防撞装置的约束力即为的刚度成正比。因为对称罚函数法编程

7、简单很少激桥墩所受碰撞力。相关参数见表2、表3和图2。起网络沙漏效应,没有噪音,且由于具有对称性、动量守恒准确,不需要碰撞和释放条件。故接触算法拟采用对称罚函数法,通过法向接触力得到接触摩擦力。2有限元模型建立[8]ANSYS/LS-DYNA求解步骤:(1)前处理Preprocessor建模(PREP7前处理器)①设置Preference选项,选择LS-DYNAEx2plicit;②定义单元类型、算法、实常数和材料性质;图1油轮简化有限元模型③建立斜拉桥及油轮实体模型并进行网格划表2钢套箱主要尺寸分;长度(m)内壁宽(m)外

8、壁宽(m)高度(m)④定义接触界面。39.8520.1529.866(2)加载和求解表3防撞材料为随动塑性材料模型参数①约束、加载和给定初速度;硬化参数应变率参数应变率参数屈服应力C0切线模量EP失效应变εf②设置求解过程的控制参数;BCP(MPa)(MPa)③选择输出文件和输出时间间隔;