船舶与桥梁防撞系统碰撞的数值仿真分析

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1、船舶与桥墩防撞系统碰撞的数值仿真分析111，211李升玉王曙光徐秀丽方海刘伟庆(1.南京工业大学土木工程学院；2.东南大学交通学院)摘要船舶与桥墩防撞系统碰撞是一种复杂的非线性动态响应历程，整个系统的动态变形和应力变化过程主要取决于桥墩防撞系统的特性。本文探讨了碰撞力学及数值仿真分析的基本原理，并以某跨海大桥为例，借助于非线性有限元软件,仿真分析了船舶撞击桥墩防撞系统的基本过程，反映了船舶与桥墩防撞系统碰撞时碰撞力、能量转化及防撞系统能量吸收和变形的时间历程，可供同类型的桥墩防撞系统设计提供参考。关键词防撞系统；船

2、桥碰撞；非线性数值仿真NumericalSimulationsofShip-ProtectionEquipmentofBridgePierCollision111,211LIsheng-yu，WANGShu-guang，XUxiu-li，FANGhai，LIUwei-qing(1.CollegeofCivilEngineering,NanjingUniversityofTechnology2.SchoolofCommunication&TransportationSoutheastUniversity)Abstra

3、ct：ItisverydifficulttoaccuratelycalculatethenonlineardynamicresponsehistoryofShip-protectionequipmentofbridgepiercollision.Thedynamicdeformationandstressdistributionofcollisionprotectionequipmentlieonitscharacteristics.Thebasicprincipleofcollisionmechanicsandn

4、umericalsimulationanalysisisdiscussedinthispaper,andtakingabridgeacrosstheseaasanexample,thewholeprocessofShip-protectionequipmentofbridgepiercollisionissimulatedandanalysedbyemployingNonlinearFEMprogram.Simultaneously,thetimehistoryofcollisionforce,theexchang

5、eofenergy,energyabsorptionanddeformationofcollisionprotectionequipmentispresented,andcanbeusedasreferencetothedesignofthesimilarcollisionprotectionequipment.Keywords：collisionprotectionequipment;ship-bridgecollision;nonlinearnumericalsimulation1引言船舶与桥墩防撞系统碰撞是船

6、体和桥墩防撞系统结构在很短的时间内、在巨大撞击载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应历程，不仅涉及到船舶自身的运动及变形，还包括了桥墩及防撞系统的位移及变形。撞击过程中存在着大量的非线性现象，如材料非线性、几何非线性、接触非线性和运动非线性等。在撞击过程中，船舶、防撞系统、桥墩的弹塑性变形、[1-3]失效和船体刚体运动同时发生，相互影响。船桥碰撞问题目前主要有以下三种计算方法，包括经验公式法、动力数值模拟法和有[4-8]限元分析法。经验公式法计算快捷简便，但误差较大，不同的经验公式计算结果可能相差高达100％，该方法

7、一般用于碰撞力的计算校核；目前的经验公式只适用于船桥直接碰撞的一些情况，不适用于船舶和防撞系统碰撞的情况。动力数值模拟法是通过研究船舶碰撞的内、外部机理，建立船舶碰撞的动力学模型，模拟船舶撞击桥墩的动力过程，获得撞击力、能量转化等结果，较有代表性的有Petersen方法和梁文娟计算方法。有限元分析法则是通过建立船舶、桥墩及防撞系统有限元模型，利用非线性动力有限元软件仿真船舶与桥墩防撞系国家自然科学基金（50378044）资助项目。统碰撞过程中的结构变形、能量转化等，随着非线性有限元技术和计算机硬件的发展，该方法正得

8、到越来越广泛的应用。目前，国内外的相关研究主要集中于船桥直接碰撞的问题，很少有文献涉及船舶和桥墩防撞系统碰撞的动态过程，而新建的大跨度桥梁，其桥墩防撞系统的设计已不可或缺。本文以某跨海大桥为例，借助于非线性动力分析有限元软件，比较精细的模拟了船舶与桥墩防撞系统碰撞的内部动态过程，并对撞击力和能量转化进行了分析研究。2力学机理及计算方法2.1力学机理船舶和桥墩