橋梁復(fù)合材料防撞護(hù)舷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙維立　蔣超　周宣伊　劉濤維　方明霞

摘要：采用有限元法對(duì)某3 000 t船舶與橋梁防撞護(hù)舷碰撞的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析.通過將護(hù)舷試樣的碰撞試驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，完善該防撞護(hù)舷的有限元模型，使其更可靠.用ANSYS/LSDYNA模擬3 000 t船舶撞擊3種不同護(hù)舷（D型、圓環(huán)型和板型）的過程.不同護(hù)舷吸能結(jié)果表明：對(duì)于D型護(hù)舷，船舶會(huì)碰到橋墩，失去作用；對(duì)于板型護(hù)舷，船舶變形嚴(yán)重；圓環(huán)型護(hù)舷的效果最好.

關(guān)鍵詞：橋梁； 護(hù)舷； 船舶； 碰撞； 復(fù)合材料； 動(dòng)力學(xué)特性； 非線性有限元

中圖分類號(hào)： U441.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract：The finite element method is used to analyze the collision dynamics characteristics of 3 000 t ship while it collides with bridge anticollision fender. To perfect the finite element model of the anticollision fender and make it more reliable， the experimental results of the fender sample are compared with the finite element calculation results. ANSYS/LSDYNA is used to simulate the process of the collision of 3 000 t ship with three types of fenders（Dtype， ringtype and platetype）. The energy absorption results of these different fenders show that， the ship could impact the bridge pier while the fender is Dtype， which would be out of action； the deformation of the ship is serious while the fender is platetype； the ringtype fender are the best.

Key words：bridge； fender； ship； collision； composite material； dynamics characteristics； nonlinear finite element

0 引 言

雖然橋梁本體設(shè)計(jì)時(shí)一般要求能夠承載一定的沖擊，但若橋梁不設(shè)防撞裝置，則船舶與橋梁碰撞時(shí)將直接與橋墩接觸，由于二者的剛度均較大，不能通過變形吸收能量，會(huì)對(duì)橋墩產(chǎn)生極大的撞擊力，極易造成船毀橋塌事故.[1]為橋梁設(shè)計(jì)合適的防撞護(hù)舷裝置，通過吸收撞擊能量降低船舶對(duì)橋墩的撞擊力，對(duì)于船舶和橋梁的安全有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.

傳統(tǒng)的橋梁防撞護(hù)舷多采用鋼制金屬材料或橡膠材料，不少專家學(xué)者對(duì)二者進(jìn)行比較深入的研究.李元音等[2]提出用有限元非線性分析方法對(duì)碼頭橡膠護(hù)舷進(jìn)行設(shè)計(jì)，改變單純依賴實(shí)體試驗(yàn)或物理模型獲得護(hù)舷力學(xué)性能的方式.李干華等[3]研究M型、D型、CY型和鼓型橡膠護(hù)舷防撞裝置，并從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、安裝維護(hù)和成本價(jià)格等方面進(jìn)行相關(guān)的比較分析.張峰[4]以東海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，總結(jié)現(xiàn)有規(guī)范、計(jì)算理論及計(jì)算公式的適用條件，提出適合跨海大橋撞擊力的計(jì)算公式和計(jì)算方法.蔣致禹[5]結(jié)合非線性有限元仿真，研究橡膠護(hù)舷和鋼質(zhì)護(hù)舷在沖擊作用下的變形失效，并根據(jù)耐撞性指標(biāo)對(duì)鋼質(zhì)護(hù)舷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).然而，不論是鋼制金屬材料還是橡膠材料，二者都存在一定的缺陷，前者較為笨重，安裝使用不便，容易因腐蝕而造成性能下降，后者則有易老化的問題.

與傳統(tǒng)金屬材料和橡膠材料相比，復(fù)合材料具有更好的耐久性和抗腐蝕能力，吸能性能更強(qiáng)，壓潰載荷分布也更均勻[68]，因此對(duì)復(fù)合材料防撞護(hù)舷進(jìn)行研究具有重要意義.王寶來等[9]根據(jù)復(fù)合材料的特點(diǎn)以及基體、增強(qiáng)相、截面和工藝等對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響，闡述復(fù)合材料的宏觀強(qiáng)度理論中不同準(zhǔn)則之間的差異和特點(diǎn)以及失效破壞準(zhǔn)則.復(fù)合材料在撞擊作用下變形過大會(huì)發(fā)生基體失效、纖維失效、纖維基體剪切失效、分層等不同形式的局部失效.這些局部失效的產(chǎn)生與擴(kuò)展將會(huì)使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的承載能力降低并導(dǎo)致最終破壞.[10]本文以復(fù)合材料內(nèi)填耗能閉孔泡沫材料構(gòu)成的防撞護(hù)舷為研究對(duì)象，采用ANSYS仿真計(jì)算方法在LSDYNA平臺(tái)上研究3種復(fù)合材料防撞護(hù)舷結(jié)構(gòu)在3 000 t船舶撞擊載荷作用下的動(dòng)力學(xué)特性，計(jì)算結(jié)構(gòu)在碰撞過程中產(chǎn)生的位移、速度、應(yīng)變能和最大碰撞力等，以滿足使船撞力降低到52.4%以下的設(shè)計(jì)要求.

1 防撞護(hù)舷理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為得到護(hù)舷的單元類型和材料屬性，進(jìn)而得到精確的有限元模型，需要對(duì)護(hù)舷試樣進(jìn)行碰撞試驗(yàn)和有限元仿真計(jì)算.

試樣模型見圖1.試樣表面由玻璃纖維聚酯復(fù)合材料包覆，上下表面的尺寸均為360 mm×390 mm，厚度為20 mm；內(nèi)部填充物為聚氨酯泡沫，在厚度方向上通過9根直徑為5 mm的柱形玻璃纖維復(fù)合材料加固穩(wěn)定.在靠近試件邊緣部分貫穿試件厚度方向打直徑10 mm的孔，通過定位銷幫助試件在夾具上定位固定.試樣仿真模型見圖2.

在仿真計(jì)算中，選取LSDYNA庫中的Plastic Kinematic材料模擬玻璃鋼板，選取Power Law材料模擬低密度聚氨酯泡沫材料；通過設(shè)置碰撞剛性球密度調(diào)整剛性半球質(zhì)量，進(jìn)而改變初始動(dòng)能；通過調(diào)整材料模型的密度、彈性模量和初始屈服強(qiáng)度等參數(shù)得到不同的仿真計(jì)算結(jié)果.運(yùn)用有限元計(jì)算后處理軟件LSPrePost處理ANSYS/LSDYNA計(jì)算結(jié)果，得到碰撞力和碰撞能量時(shí)程曲線，見圖3和4.

采用Instron CEAST9350HV試驗(yàn)機(jī)（見圖5）通過落錘自由落體勢(shì)能轉(zhuǎn)化的動(dòng)能沖擊試件.先預(yù)估試件可承受的能量值進(jìn)行試驗(yàn)，將未穿透試件的能量值作為參考，然后再設(shè)定能穿透試件的能量.

試驗(yàn)通過儀器直接得到的數(shù)據(jù)為撞擊瞬間落錘的動(dòng)能（即沖擊能量）E0，該瞬間落錘的速率V0和落錘之后錘頭的力F與時(shí)間t的關(guān)系（采集頻率為1 MHz）.落錘試樣之間的撞擊力和碰撞能量與時(shí)間的關(guān)系曲線見圖6和7.

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)碰撞力

的響應(yīng)過程非常相似，仿真計(jì)算較好地反映碰撞過程中碰撞力的變化特性.對(duì)比仿真與試驗(yàn)的能量時(shí)間曲線，發(fā)現(xiàn)二者的變化過程一致，但碰撞內(nèi)能的試驗(yàn)結(jié)果偏大.產(chǎn)生該誤差的主要原因是試驗(yàn)過程中沖頭最終會(huì)靜止，系統(tǒng)認(rèn)為動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為試樣內(nèi)能，而在仿真計(jì)算中，球體碰撞結(jié)束后將發(fā)生反彈，球體會(huì)帶走部分動(dòng)能而無法傳遞給試樣.

總體說來，試驗(yàn)和仿真結(jié)果在工程容許的誤差范圍內(nèi)，說明采用ANSYSLS/DYNA模擬計(jì)算新型復(fù)合材料防撞護(hù)舷的碰撞動(dòng)力學(xué)特性具有足夠的可靠性.

2 護(hù)舷實(shí)體結(jié)構(gòu)碰撞動(dòng)力學(xué)特性分析

為計(jì)算設(shè)置防撞護(hù)舷后最大碰撞力的許用值，首先需要計(jì)算未加防撞護(hù)舷時(shí)船橋之間的最大碰撞力.影響船橋撞擊力的因素很多，主要包括船型、船舶排水量、船舶尺寸、行駛速度以及橋墩的尺寸、形狀、強(qiáng)度、彈性性能等，因此理論計(jì)算非常復(fù)雜.[10]目前，國(guó)內(nèi)外根據(jù)各國(guó)的實(shí)際情況采用不同的計(jì)算規(guī)范，且多是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論推導(dǎo)后得出的，因此在指定的應(yīng)用范圍內(nèi)具有很好的適用性.[11]常用的規(guī)范包括國(guó)外的AASHTO規(guī)范、歐洲規(guī)范和Woisin修正公式以及我國(guó)的公路規(guī)范和鐵路規(guī)范.本文以歐洲規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，得到未加防撞護(hù)舷時(shí)3 000 t船舶要求的最大碰撞力為52.32 MN.設(shè)計(jì)目標(biāo)為采用復(fù)合材料防撞護(hù)舷后船撞力應(yīng)降低到原來的52.4%以下，因此設(shè)置防撞護(hù)舷后最大碰撞力的許用值取為27.42 MN.

根據(jù)相關(guān)資料，采用3 000 t船舶模型（見圖8），帶有球鼻艏，總長(zhǎng)為69.8 m，寬度為12.8 m.

在ANSYS/LSDYNA平臺(tái)上分別模擬3 000 t船舶以3.9 m/s的速度撞擊D型、圓環(huán)型和板型護(hù)舷的碰撞動(dòng)力學(xué)過程.

2.1 D型護(hù)舷碰撞特性分析

3 000 t貨船撞擊D型護(hù)舷示意見圖9.護(hù)舷外形尺寸為4.0 m×2.5 m，半徑為2.0 m.護(hù)舷外殼板厚度為5 mm，芯柱直徑為5 mm，外殼與內(nèi)部之間以玻璃纖維板分隔，結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充聚氨酯泡沫作為耗能材料.

經(jīng)有限元計(jì)算，獲得撞擊后護(hù)舷變形見圖10.

防撞護(hù)舷碰撞過程的能量變化曲線見圖11和12.在碰撞接觸變形最大時(shí)刻1.63 s時(shí)，動(dòng)能下降接近為0，變形能與摩擦能占總能量94.3%.防撞護(hù)舷在整個(gè)碰撞過程中通過自身的變形吸收大部分能量，起到既保護(hù)橋又保護(hù)船的目的.碰撞過程沙漏能大致控制在總能量的4%以下，表明計(jì)算具有較高的精確性.從圖12可以看出：護(hù)舷吸收大部分能量，船首變形較小，說明對(duì)船舶的防護(hù)效果較好.

護(hù)舷模型幾何中心在碰撞過程中沿碰撞方向位

移變化過程見圖13.碰撞開始后，防撞護(hù)舷受撞擊擠壓后變形，船舶模型在初始速度作用下不斷侵入防撞護(hù)舷，受其變形影響，位移增加速率逐漸降低，在1.63 s時(shí)刻最大程度侵入護(hù)舷，深度為0.8 m.

船舶撞擊防撞護(hù)舷時(shí)碰撞力時(shí)程圖見圖14.最大碰撞力出現(xiàn)在船舶與防撞護(hù)舷產(chǎn)生最大變形的時(shí)刻，水平方向撞擊力為47.1 MN，大于設(shè)置的許用值27.42 MN，不符合碰撞力設(shè)計(jì)要求.碰撞力較大的原因是當(dāng)采用D型護(hù)舷時(shí)，隨著碰撞過程的深入，護(hù)舷會(huì)移動(dòng)到船首的凹陷處（見圖13），致使球鼻艏部分及上部護(hù)欄直接觸碰橋墩，產(chǎn)生較大碰撞力，使護(hù)舷失去防護(hù)作用.

2.2 圓環(huán)型護(hù)舷碰撞特性分析

3 000 t貨船撞擊圓環(huán)型護(hù)舷示意見圖15.圓環(huán)外徑為3.5 m，內(nèi)徑2 m，厚度0.75 m.板的厚度為5 mm，芯柱直徑為5 mm.與3 000 t船舶撞擊后圓環(huán)型護(hù)舷變形見圖16.

防撞護(hù)舷碰撞過程能量變化時(shí)程見圖17和18.在碰撞接觸變形最大時(shí)刻1.60 s時(shí)，動(dòng)能下降約為原來的6.1%，變形能與摩擦能占總能量的90.6%.碰撞過程沙漏能大致控制在總能量的5%以下.從圖18可以看出：護(hù)舷吸收大部分能量；船首變形較小，效果較好.

船舶模型幾何中心在碰撞過程中沿碰撞方向位移變化見圖19.在1.6 s時(shí)刻最大程度侵入護(hù)舷，深度為3 m（注意圖中船護(hù)舷接觸時(shí)刻為0.4 s）.

船舶撞擊防撞護(hù)舷時(shí)碰撞力時(shí)程曲線見圖20.最大碰撞力出現(xiàn)在1.29 s，水平方向撞擊力20.5 MN，小于規(guī)范要求的最大船撞力為27.42 MN的要求.

2.3 板型護(hù)舷碰撞特性分析

3 000 t貨船撞擊板型護(hù)舷示意見圖21.板型護(hù)舷表面由玻璃鋼板包覆，內(nèi)部填充物為聚氨酯泡沫.護(hù)舷高8 m，厚1.2 m，玻璃鋼板厚度為5 mm，芯柱直徑為5 mm.撞擊后護(hù)舷變形見圖22.

防撞護(hù)舷碰撞過程能量變化曲線見圖23.在碰撞接觸變形最大時(shí)刻1.14 s時(shí)，動(dòng)能下降為0，變形能與摩擦能占總能量92.9%.碰撞過程沙漏能大致控制在總能量的5%以下.從圖24可以看出：護(hù)舷吸收少部分能量，船首變形較大，效果不理想.

船舶模型幾何中心在碰撞過程中沿碰撞方向位移變化見圖25.在1.0 s時(shí)刻最大程度侵入護(hù)舷，深度為1 m，護(hù)舷幾乎被撞穿.船首變形能超過護(hù)舷，說明船體破壞較嚴(yán)重.

船舶撞擊防撞護(hù)舷時(shí)碰撞力時(shí)程曲線見圖26.

最大碰撞力出現(xiàn)在1.02 s，水平方向撞擊力為20.3 MN，小于規(guī)范要求的最大船撞力27.42 MN，符合要求.

由表1可以看出：D型護(hù)舷不符合要求，圓環(huán)型護(hù)舷吸收的能量約是船舶的4倍，板型護(hù)舷吸收的能量約是船舶的1/2.

3 結(jié)論

通過對(duì)比分析，得到如下結(jié)論.

1）通過防撞護(hù)舷試樣的有限元計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在ANSYS/LSDYNA平臺(tái)上模擬船舶與護(hù)舷碰撞的動(dòng)力學(xué)特性具有較高的精度.

2）通過對(duì)3 000 t船舶與D型、圓環(huán)型和板型護(hù)舷的碰撞過程進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：對(duì)于有球鼻艏的大型船舶，采用D型護(hù)舷時(shí)船舶會(huì)直接與橋墩碰撞，使防撞護(hù)舷完全失去作用；對(duì)于板型護(hù)舷，碰撞力能滿足要求，但大部分碰撞能量將由船舶吸收，船舶變形嚴(yán)重；采用圓環(huán)型防撞護(hù)舷時(shí)，最大碰撞力相對(duì)較小，且碰撞能量大部分被護(hù)舷吸收，船舶變形較小，能起到保護(hù)船舶與橋墩的作用.因此，圓環(huán)型防撞護(hù)舷的綜合性能最好.

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（編輯 武曉英）