環(huán)保型浮式柔性防撞裝置試驗(yàn)與數(shù)值仿真研究*

李嵩林　耿　波　尚軍年

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司1)　重慶　400067)　(橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)　重慶　400067)

環(huán)保型浮式柔性防撞裝置試驗(yàn)與數(shù)值仿真研究*

李嵩林1,2)耿波1,2)尚軍年1,2)

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司1)重慶400067)(橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)重慶400067)

摘要：環(huán)保型浮式柔性防撞裝置是一種新型的比強(qiáng)度、比剛度大和比吸能高的復(fù)合材料防撞結(jié)構(gòu).文中對(duì)其進(jìn)行了4種不同工況下的碰撞試驗(yàn)，對(duì)比了有無防撞裝置和不同撞擊速度條件下的撞擊力、撞擊加速度、動(dòng)位移等碰撞動(dòng)力效應(yīng)，研究了防撞裝置的緩沖消能效果；對(duì)應(yīng)進(jìn)行了4種不同工況下的數(shù)值仿真研究.試驗(yàn)研究結(jié)果與仿真結(jié)果均表明該防撞裝置的緩沖消能效果良好.

關(guān)鍵詞：防撞裝置；復(fù)合材料；碰撞試驗(yàn)；撞擊力；撞擊速度

李嵩林(1987- ):男，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈缆放c橋梁工程

目前，國內(nèi)外為降低橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)而設(shè)計(jì)研究了一些防撞措施[1-5]，主要分為3大類：獨(dú)立式防撞系統(tǒng)、附著式防撞系統(tǒng)和一體式防撞系統(tǒng).結(jié)合具體的橋梁布置形式和水文地質(zhì)條件等，設(shè)計(jì)相應(yīng)的防撞系統(tǒng)可以有效的起到防撞效果.但這3大類防撞系統(tǒng)存在的問題有：(1)都是針對(duì)保護(hù)橋梁而設(shè)的，船舶在與其碰撞的過程中要么兩敗俱傷，要么一方潰不成軍；(2)工程結(jié)構(gòu)傻、大、笨、粗的特點(diǎn)，其耗費(fèi)在橋梁成本中所占的比例較大，增加了橋梁的工程預(yù)算；(3)防撞設(shè)施的材料還有待進(jìn)一步研究，隨著各類新材料新工藝的出現(xiàn)，應(yīng)注意選擇環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、耐久的材料，降低前期投資和后期維護(hù)費(fèi)用.

本文針對(duì)三峽庫區(qū)河流水位落差大、汛期流速急的特點(diǎn)[6]，設(shè)計(jì)了一種新型浮式柔性防撞裝置，該裝置的特點(diǎn)：(1)通過復(fù)合材料防撞套箱的變形來延緩撞擊時(shí)間，消耗撞擊能量，減小橋梁結(jié)構(gòu)直接承受的船舶撞擊效應(yīng)；(2)無論高水位還是低水位都能隨水位變化而上下自由浮動(dòng)；(3)具備優(yōu)良的耐久性能.

1環(huán)保型浮式柔性防撞裝置設(shè)計(jì)

該防撞裝置由外圍殼體與內(nèi)部吸能元件2部分組成，殼體用作容集功能的構(gòu)件，含有容槽和蓋板2部分，均采用防水復(fù)合材料制作，容槽內(nèi)容集吸能元件，蓋板在容槽填裝容集物后塑焊其上，起密封作用.

2環(huán)保型浮式防撞裝置沖擊試驗(yàn)

2.1沖擊試驗(yàn)方法與步驟

此次防撞裝置撞擊試驗(yàn)，以船舶正向撞擊橋墩和船舶正向撞擊防撞裝置為背景，設(shè)計(jì)了4次試驗(yàn),見表1、圖1.將落錘抬升至設(shè)計(jì)高度，用來模擬相似于船舶撞擊時(shí)的各個(gè)速度.在重力作用下落錘分別撞擊混凝土試驗(yàn)梁(試驗(yàn)梁為2塊矩形梁合并而成)和復(fù)合材料防撞裝置，用來模擬有無防撞裝置保護(hù)的情形.

表1　試驗(yàn)工況安排表

撞擊過程中利用高速攝像機(jī)記錄撞擊時(shí)刻撞擊模型的變形情況，同時(shí)在落錘、防撞裝置和混凝土試驗(yàn)梁上安裝加速度傳感器、位移傳感器和應(yīng)變片，記錄撞擊過程中落錘與試驗(yàn)梁加速度和位移的時(shí)程變化，最后分析比較得出防撞裝置的消能效果.

注：工況一在試驗(yàn)過程中加速度傳感器全部脫落圖1　不同工況下加速度峰值比較

2.2試驗(yàn)分析

1) 試驗(yàn)梁底部截面加速度由圖1可見：(1) 對(duì)比工況二與工況四，有套箱保護(hù)的試驗(yàn)梁底部加速度明顯小于無套箱保護(hù)的情況；(2) 比較工況三和工況四，試驗(yàn)梁底部各個(gè)截面的加速度峰值相差不大，說明在防撞套箱的保護(hù)下，撞擊速度對(duì)于試驗(yàn)梁的截面加速度的影響是比較微小的.

2) 落錘在試驗(yàn)梁有、無套箱保護(hù)各工況下的加速度試驗(yàn)結(jié)果，見圖2.

圖2　不同撞擊速度時(shí)落錘加速度比較

在防撞套箱的保護(hù)下，落錘加速度峰值有了很明顯的削弱，由圖2可見，無防撞套箱保護(hù)時(shí)，各參數(shù)在很短的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了峰值且后續(xù)無其他峰值，而有防撞套箱保護(hù)時(shí)，在相同的時(shí)程內(nèi)峰值有了明顯的削弱，并且后續(xù)時(shí)程也相繼出現(xiàn)了其他的更小的峰值，體現(xiàn)了該防撞裝置的柔性.有防撞套箱的落錘加速度峰值明顯降低.

圖3　不同工況下加速度峰值比較

3) 試驗(yàn)梁底部截面動(dòng)位移圖3為不同工況下動(dòng)位移峰值比較.由圖3可見：(1)工況一與工況二相比，在不同的撞擊速度下，速度越快動(dòng)位移的響應(yīng)也就越大，與理論相符；(2)工況三與工況四相比，動(dòng)位移峰值基本趨于一致，說明在套箱的保護(hù)作用下，撞擊速度對(duì)于試驗(yàn)梁的動(dòng)位移響應(yīng)的影響是比較微小的；(3)對(duì)工況一與工況三，工況二與工況四進(jìn)行比較，試驗(yàn)梁在套箱的保護(hù)下，動(dòng)位移峰值有很明顯的降低.以上3點(diǎn)均說明防撞裝置具有很好的緩沖消能作用.

3防撞模型動(dòng)力仿真

利用LS-DYNA分析軟件模擬沖擊試驗(yàn)的4種工況，通過各工況撞擊力、落錘加速度和試驗(yàn)梁底部加速度仿真結(jié)果的對(duì)比，分析防撞裝置的緩沖消能效果.分析軟件采用基于顯式算法的LS-DYNA.相撞結(jié)構(gòu)物之間的碰撞作用采用接觸算法來完成[7-8].在2個(gè)相撞物體上，分別定義主從接觸面，在計(jì)算過程中的每一時(shí)間步內(nèi)，根據(jù)從屬節(jié)點(diǎn)是否穿透主面來決定是否在主面上施加一作用力來阻止從屬節(jié)點(diǎn)繼續(xù)穿透，這個(gè)力即接觸力.接觸力的大小取決于穿透量和接觸面兩側(cè)的單元特性.

3.1計(jì)算模型的建立

該動(dòng)力仿真模型包括落錘、防撞套箱、矩形梁、支座4部分.該模型中，落錘由混凝土材料模擬，采用實(shí)體單元建模，總計(jì)40 000個(gè)單元，單元平均尺寸20 mm；防撞套箱包括外層FRP復(fù)合材料和內(nèi)部吸能元件，防撞套箱全用殼單元模擬，總計(jì)52 670個(gè)單元，單元平均尺寸20 mm；鋼筋混凝土梁采用實(shí)體單元，彈性本構(gòu)，截面尺寸為500 mm×800 mm，長3 m，總計(jì)100 000個(gè)單元，單元平均尺寸20 mm.整個(gè)模型在重力加速度場中模擬，各工況落錘的下降高度見表1.通過模擬分析撞擊力時(shí)程、落錘加速度時(shí)程、梁底部截面加速度時(shí)程及能量時(shí)程曲線，研究該防撞套箱的防撞效果.

3.2模擬參數(shù)設(shè)置

為了模擬落錘與防撞套箱結(jié)構(gòu)、防撞套箱結(jié)構(gòu)內(nèi)部自身的擠壓及其與矩形梁間的撞擊，數(shù)值模擬計(jì)算采用面面接觸和自接觸.其中，自接觸用于防撞套箱結(jié)構(gòu)的內(nèi)部吸能元件之間；面面接觸用于落錘與防撞套箱結(jié)構(gòu)之間、落錘與矩形梁之間、防撞套箱與矩形梁之間以及矩形梁與支座之間等部位.

3.3計(jì)算結(jié)果及分析

1) 撞擊力仿真結(jié)果不同工況下撞擊力時(shí)程曲線如圖4.

圖4　不同工況下撞擊力時(shí)程曲線

有無防撞套箱，不同撞擊速度時(shí)撞擊力峰值見圖5.

圖5　落錘撞擊力峰值

由圖5可見以看出，撞擊速度越大，落錘撞擊力峰值越大.有防撞套箱的條件下，落錘撞擊力峰值明顯下降.

2) 落錘加速度有無防撞套箱、不同撞擊速度時(shí)加速度峰值見圖6.

圖6　落錘加速度峰值

由圖6可見，撞擊速度越大，落錘加速度峰值越大.有防撞套箱的條件下，落錘加速度峰值明顯下降.

3) 試驗(yàn)梁底部截面加速度在4種不同的工況下，試驗(yàn)梁底部加速度峰值見圖7.

由圖7圖可見：(1)不同工況下加速度峰值基本表現(xiàn)為1/2跨度最大，1/4與3/4截面加速度峰值相對(duì)接近，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的趨勢基本一致；(2)在防撞套箱的保護(hù)下，試驗(yàn)梁加速度峰值有明顯削弱；(3)對(duì)比工況三和工況四，試驗(yàn)梁加速度峰值非常接近，說明在防撞套箱的保護(hù)下，不同的撞擊速度對(duì)試驗(yàn)梁底加速度峰值影響小.

圖7　不同工況下加速度峰值

4) 試驗(yàn)梁內(nèi)能曲線比較4種工況下試驗(yàn)梁的內(nèi)能曲線，見圖8.

圖8　不同工況下試驗(yàn)梁內(nèi)能對(duì)比圖

由圖8可見，在相同的撞擊速度下，有防撞套箱的工況三和工況四中的試驗(yàn)梁內(nèi)能均小于無防撞套箱的工況一和工況二.

4結(jié)論

1) 經(jīng)試驗(yàn)表明，新型浮式防撞套箱明顯降低了撞擊力大小，延長了落錘碰撞作用時(shí)間，降低了試驗(yàn)梁承受的直接撞擊效應(yīng)，說明該防撞套箱具有很好的緩沖消能作用.

2) 數(shù)值模擬結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)論一致，均表明該新型浮式防撞套箱具有很好的緩沖消能作用.

3) 與傳統(tǒng)的防撞措施比較，該防撞套箱采用FRP復(fù)合材料，具有質(zhì)量輕，防水性能極佳，抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此具有很好的耐久性能.

4) 無論高水位還是低水位，該防撞套箱都能隨水位變化而上下自由浮動(dòng).

5) 與傳統(tǒng)的防撞措施比較，該防撞套箱也可以很好的保護(hù)撞擊船舶.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]胡志強(qiáng)，崔維成. 船舶碰撞機(jī)理與耐撞性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究綜述[J].船舶力學(xué)，2005，9(2)：131-141.

[2]陳國虞.防御船撞橋的橋墩防撞裝置[J].航海技術(shù)，2001(1)：23-24.

[3]孫振.橋梁防船撞設(shè)施的比較研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

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[7]王朝軍，陳傳堯，章建軍，等.橋墩防護(hù)裝置數(shù)值模擬分析[J].國外橋梁，2001(4)：72-75.

[8]范彬，晏俊，王林.橋梁防撞結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，13(4)：11-14.

Experimental Study and Numerical Simulation on

中圖法分類號(hào)：U44；TB332

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.019

收稿日期：2014-00-00

Eco-friendly Floating and Flexible Anti-collision Devices
LI Songlin1,2)GENG Bo1,2)SHANG Junnian1,2)
(ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&

DesignInstituteCo.,Ltd.,Chongqing400067,China)1)

(StateKeyLaboratoryofBridgeEngineeringStructuralDynamics,Chongqing400067,China)2)

Abstract：Eco-friendly floating anti-collision devices are the new composite anti-collision structures, expressing large specific strength, specific stiffness and specific energy absorption. Crash tests of four different conditions were carried out. By comparing the impact force, impact acceleration, displacement and other collision dynamic effects under the presence or absence anti-collision devices and different impact velocities, the buffering effects of anti-collision devices were studied. In addition, numerical simulation analysis of four different conditions were done. Experimental and simulation results showed that the anti-collision device have the effective buffer performance. The paper will provide theoretical support to promote the application of eco-friendly floating anti-collision devices.

Key words：anti-collision device, composites, crash experiment, impact force, impact velocity

*重慶市“百名工程技術(shù)高端人才培養(yǎng)計(jì)劃”項(xiàng)目資助