船桥碰撞问题的有限元仿真分析.pdf

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1、第40卷第l期2011年02月船海丁程SHIP＆．(X：EANEN(jlNEERINGV01．40No．1Feb．2011D()I：10．3963／j．issn1671—7953．2011．01．043船桥碰撞问题的有限元仿真分析肖波，鹿道凡(武汉理工大学交通学院。武汉430063)摘要：运用ISDYNA有限元软件。对j000t级的代表船型与某长江大桥1#墩及防掩装置的碰掩过程进行整体仿真．分别对不考虑桥墩自身刚度影响和考虑桥墩自身刚度影响两种=I：况F不问板厚的桥梁防撞装置的防掩吸能特性进行对比分析。主要从碰撞过程中的撞击力和能醋

2、转换的规律等方面考察桥墩自身的刚度对防撞装置在实际碰掩过程中防撞性能的影响．以及在分析此类问题时通常所使用的简化计算模型是否有足够的精确度，从而保证有限元仿真分析数据的可靠性。关键词：桥梁防撞装置；碰撞；有限元仿真；动力非线性中图分类号：U443．26文献标志码：A文章编号：1671—7953(2011)0卜0143一05船桥碰撞问题是在很短的时间内，在巨大撞击力作用下的一种复杂的非线性动态响应问题。解决碰撞问题目前主要有=三种方法：经验公式法、动力数值模拟法和有限元分析法。其中有限元法是目前公认的最有效的方法。在用有限元方法分析此

3、类问题时，大多是将防撞装置和桥墩作为两个独立的系统分别进行研究，这就忽略了桥墩和防撞装置的相互作朋，影响了分析结果的精确性。以某长江大桥1#墩及其防撞装置为研究对象，利用I，SDYNA计算软件，考虑桩一土作用．分析碰撞过程中桥墩刚度对防撞装置性能的影响。1船桥碰撞问题的分析方法船和防撞装置的碰撞问题是一个瞬态的冲击过程，接触Ⅸ附近的构件会在短时间内发生屈曲、塑性变形、褶铍和撕裂。船舶和防撞装置在接触区域内会产生很高的应力和位移．这种碰撞I'订J题的分析方法有多种．其中有限元法对碰撞过程的描述最为完备，计算结果最接近实际情况。在有限元

4、方法中．碰撞问题运动方程可表示M’，+C’，+K’，=P(1)式中：M——质量矩阵；收稿日期：20lO—02一Ol修回日期：2010—03一16作者简介：肖波(1965一)，男．博十。副教授。研究方向：船舶与桥梁结构碰撞动力学理论及桥梁防掩没施系统化E．眦iI：iridescent@163．comCL一阻尼矩阵；．K——刚度矩阵；P——外力向量；y——位移向量；’，——速度向量；V——加速度向量。使用有限元法求解瞬态动力学问题时，为了减少计算时间并且能够得到较为精确的结果，一般采用显式直接时域解法。该方法不需要进行矩阵分解或求逆，也

5、无须求解联立方程组，并可通过自动控制时I'日】步长得到稳定解。同时又保证了时间积分精度。I§DYNA程序采用的是变步长积分法，每～时刻的积分步长由当前网格中最小单元决定。先计算每一个单元的极限时步长&嚣，i一1，2，⋯，则下一时步长△，取其极小值△￡一min(△f嚣，△f嚣，⋯，△￡=)(2)式中：&嚣——第i个单元极限时步长；n——单元数目。2有限元模型的建立2．1代表船型选取和船舶有限元模型的建立为模拟在大桥实际使用时的最不利情况，以确保大桥在与船舶发生实际碰撞时的安全．选用汀海卣达5000t级多朋途船作为代表型船舶。该船总长1

6、13m，型宽17．5m．吃水8．2m，型深5．Om，梁拱O．35m，方形系数o．842，满载排水量9100t．装载肇5000tLl

7、。在建立船舶的计算模型时，对船脯碰撞Ⅸ结构按照船舶实际构件的】43第1期船海工程第40卷布置和尺寸做了比较精细的模拟；对于远离碰撞区的船身部分，由于基本不发生变形，简化处理为一根刚性梁；全船质量分布于船身及船艏的各单元上。船艏部碰撞区的材料考虑了材料的应变硬化效应和应变速率对材料屈服强度的影响。选用具有应变率相关的塑性空间板壳、梁和杆单元进行离散处理[2

8、，船体模型共划分了4996个节点，6089个单元

9、。附连水采用附加质量模型[3]，采用一个总附连水质量系数o．04来计入周围流体的作用。2．2桥墩防撞装置模型的建立长江大桥1#墩使用的是浮式消浪型等截面桥墩防撞装置，该防撞装置分上下两部分，上部为浮式防撞体，按照船体结构进行设计，下部为固定于承台上的支撑结构。由于大桥的1#墩处的航道为备用航道，只是在中、洪水位情况下才启用，而且船舶也不可能撞到承台附近，所以只需选取上部结构进行模拟计算，其结构见图1。图l桥墩防撞装置结构示意该防撞装置长47．66m，宽14．66m，高3m；装置的甲板、外围壁板、底板板厚均为8咖n；首部横纵壁板板厚8

10、mm’侧部与尾部横纵壁板板厚6mm。该防撞装置为抗压变形、缓冲吸能式防撞装置，在防撞装置的外侧和内侧分别设置缓冲阻尼元件，在碰撞时能起到缓冲作用，防止防撞装置硬性撞击桥墩。碰撞过程中，防撞装置部分结构将发生弹塑性大变形，进入非线性阶段