潘 晉, 張小強(qiáng), 許明財(cái), 任淑霞
(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,武漢 430070; 2.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,武漢 430070;3.武漢力拓橋科防撞設(shè)施有限公司,武漢 430070; 4.上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上?!?01230)
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船-橋梁浮式鋼套箱碰撞數(shù)值模擬中的流場(chǎng)處理方法對(duì)比研究
潘晉1, 張小強(qiáng)1, 許明財(cái)2,3, 任淑霞4
(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,武漢430070; 2.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,武漢430070;3.武漢力拓橋科防撞設(shè)施有限公司,武漢430070; 4.上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海201230)
摘要:采用Ansys/Ls-dyna對(duì)1 000噸級(jí)船舶與浮式橋梁鋼套箱的碰撞過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真,為了較精確地分析流場(chǎng)處理方法對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響,分別采用流固耦合方法和附加質(zhì)量系數(shù)法模擬碰撞過(guò)程中流場(chǎng)的作用,并對(duì)比分析兩種方法下浮式鋼套箱的碰撞力、撞深、豎向位移、內(nèi)能變化等計(jì)算結(jié)果。研究結(jié)果表明,與采用附加質(zhì)量系數(shù)法的結(jié)果相比,考慮流固耦合時(shí)防撞鋼套箱的最大撞深較小而最大撞擊力較大,且隨著碰撞能量的增加,最大撞擊力明顯大于采用附加質(zhì)量系數(shù)法的結(jié)果;因此對(duì)于橋梁的防撞鋼套箱設(shè)計(jì),常規(guī)附加質(zhì)量系數(shù)法偏于危險(xiǎn),有必要用流固耦合法考慮流場(chǎng)的作用。另外,船體的撞擊能量越大時(shí),浮式鋼套箱的豎向位移約束也越重要,可以通過(guò)設(shè)計(jì)浮式鋼套箱的壓載水,減小鋼套箱在碰撞過(guò)程中的豎向位移,以提高其吸能效果。
關(guān)鍵詞:船舶;橋梁;流固耦合;附加質(zhì)量系數(shù);防撞鋼套箱;有限元方法
船橋碰撞通常被視為船船碰撞的特例,其研究常借助船船碰撞的研究理論展開(kāi)。因此,船橋碰撞問(wèn)題的研究方法有經(jīng)典的Minorsky法[1]、在Minorsky理論上發(fā)展起來(lái)的沃辛(Woisin)碰撞理論[2]、漢斯-德魯徹(Heins-Drucher)理論[3]、各種簡(jiǎn)化解析法、簡(jiǎn)化內(nèi)部機(jī)理的數(shù)值解法、實(shí)驗(yàn)法和有限元法等。
最近的國(guó)內(nèi)外理論研究、碰撞實(shí)例調(diào)查和模型實(shí)驗(yàn)的研究焦點(diǎn)大都集中在船撞橋的概率[4-5]、船舶對(duì)橋墩或橋墩防撞裝置的撞擊力[6-12]、船舶與橋墩或橋墩防撞裝置的碰撞能量轉(zhuǎn)化和吸收[13-16]等方面。研究的主要目的為提高橋梁在船橋碰撞事故中的安全性,減少撞擊船的損傷和破壞,并對(duì)事故后期的損傷評(píng)估和維修決策提供科學(xué)依據(jù)。
由于船橋碰撞過(guò)程具有明顯的動(dòng)力特性,建立精確數(shù)學(xué)模型以求得解析解很困難。而實(shí)驗(yàn)雖然是一種比較接近實(shí)際情況的方法,但由于耗資較大和周期長(zhǎng)等問(wèn)題,在實(shí)際工程中的應(yīng)用受限。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是非線性有限元技術(shù)的日益進(jìn)步和成熟,使得數(shù)值仿真技術(shù)在船橋碰撞問(wèn)題研究中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。劉建成等[13]采用DYTRAN非線性有限元程序模擬了船舶與橋墩的碰撞過(guò)程,其研究表明,相對(duì)于撞擊船而言,橋梁吸收的撞擊能很小,幾乎可忽略不計(jì)。王朝軍等[14]應(yīng)用三維彈塑性分析模型對(duì)船撞橋墩的過(guò)程進(jìn)行仿真分析,發(fā)現(xiàn)為橋墩加防護(hù)裝置后能防止船頭和橋墩的直接接觸。同時(shí),防護(hù)裝置在碰撞過(guò)程中通過(guò)自身的塑性變形吸收撞擊體的動(dòng)能,因此可以很好地保護(hù)橋墩和撞擊船。潘晉等[15]利用LS-DYNA模擬船與防護(hù)裝置的碰撞過(guò)程,探討了碰撞位置、碰撞速度和防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)尺寸等諸多影響因素,并據(jù)此對(duì)防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提出可行性建議。范彬等[16]、李升玉等[17]及Peng等[18]均采用非線性有限元法模擬了5 000噸級(jí)船舶撞擊不同橋梁防撞鋼套箱的動(dòng)態(tài)過(guò)程,分析了船橋的碰撞力、碰撞損傷變形和能量吸收能力及防撞結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的變形失效,類(lèi)似的工作還包括臧秀平等[19-21]的研究。
上述研究均不直接考慮船舶周?chē)牧鲌?chǎng)作用,而是以恒定的附加質(zhì)量系數(shù)來(lái)考慮流場(chǎng)的影響,以減少計(jì)算時(shí)間和簡(jiǎn)化計(jì)算。而在實(shí)際的船橋碰撞中,周?chē)乃橘|(zhì)與船體之間存在著相互作用,且隨著船舶與橋梁的碰撞角度不同(即船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同),流場(chǎng)的影響程度也不同。這是一個(gè)典型的流固耦合問(wèn)題,采用恒定附加質(zhì)量系數(shù)法顯然有其不足之處,有必要引入基于流固耦合的有限元法模擬船橋碰撞過(guò)程。王自力等[22-23]對(duì)基于流固耦合的船舶碰撞動(dòng)力學(xué)有較深入的研究,探討了在船舶正碰情況下基于流固耦合的數(shù)值仿真法。但在船-橋梁防撞裝置碰撞數(shù)值模擬中,流固耦合問(wèn)題的研究并不多見(jiàn),尤其是考慮流固耦合與否對(duì)于橋梁防撞裝置設(shè)計(jì)的影響還未見(jiàn)探討。據(jù)此,分別采用流固耦合方法和附加質(zhì)量系數(shù)法計(jì)及周?chē)鲌?chǎng)的影響,對(duì)1 000噸級(jí)船舶撞擊浮式橋梁鋼套箱的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真。通過(guò)對(duì)比兩種方法下防撞鋼套箱的撞深、碰撞力以及豎向位移,分析了流場(chǎng)對(duì)船-橋梁防撞裝置碰撞過(guò)程及防撞裝置設(shè)計(jì)的影響。
1結(jié)構(gòu)主尺度
取1 000噸級(jí)集裝箱船和力拓橋科設(shè)計(jì)的佛肇北江橋防撞鋼套箱作為研究對(duì)象。圖1為1 000噸級(jí)集裝箱船船艏結(jié)構(gòu)圖,船體主尺度為:船長(zhǎng)Ls=82.50 m;船寬B=10.80 m;型深H=5.70 m;設(shè)計(jì)吃水Dd=2.60 m;結(jié)構(gòu)吃水Ds=2.80 m。圖2為該橋的防撞鋼套箱艙室布置簡(jiǎn)圖,其主尺度為:總長(zhǎng)Ls=19.56 m;型寬B=12.60 m;型深H=2.40 m;設(shè)計(jì)吃水Dd=1.00 m。
圖1 船艏結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Bow structure
圖2 防撞鋼套箱Fig.2 Anti-collision steel box
2數(shù)值仿真分析
2.1有限元模型
數(shù)值分析采用ANSYS/LS-DYNA模擬,有限元模型包括船體和防撞裝置兩部分,計(jì)算模型見(jiàn)圖3。單元尺寸為:鋼套箱和船艏接觸部分最大單元尺寸為0.2 m;船體除船艏外其余部分最大單元尺寸為縱向?yàn)? m、橫向和高度方向?yàn)?.5 m;流體部分最大單元尺寸為0.3 m。本文目的是研究流體對(duì)浮式鋼套箱數(shù)值模擬的影響,為簡(jiǎn)化計(jì)算,船體采用剛體模擬。鋼套箱按照實(shí)際幾何尺寸建立,采用梁?jiǎn)卧蜌卧M(jìn)行模擬。
2.2結(jié)構(gòu)材料
在簡(jiǎn)化的解析方法中,為了真實(shí)反映材料特性,在被撞區(qū)的鋼套箱采用剛塑性材料模型,其屈服應(yīng)力表示為:
(1)
式中:初始屈服應(yīng)力σ0為235 MPa;彈性模量E為2.06×1011N/m2;應(yīng)變硬化模量Eh為1.18×109N/m2;密度ρ=7 850 kg/m3;泊松比μ=0.3。
船舶與其他防撞結(jié)構(gòu)一般采用低碳鋼,其塑性性能對(duì)應(yīng)變率較敏感,屈服應(yīng)力及拉伸極限強(qiáng)度隨應(yīng)變率增加而增加。因此,采取的材料模型應(yīng)引入應(yīng)變率敏感性的影響,用以考慮碰撞問(wèn)題的動(dòng)力特性。關(guān)于材料應(yīng)變率敏感性的本構(gòu)方程有很多,本文采用與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好的Cowper-Symonds本構(gòu)方程:
(2)
2.3接觸算法及摩擦
相撞結(jié)構(gòu)之間的接觸算法采用主從自動(dòng)面-面接觸算法,分別將從面和主面定義在船艏和防撞鋼套箱上。
考慮到本文研究中因摩擦造成的能量損失并不大,因此文中的算例對(duì)摩擦計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,設(shè)靜動(dòng)摩擦系數(shù)均等于0.3,且不隨壓力變化。
2.4流固耦合模型
本文對(duì)流體的處理,采用兩種方法進(jìn)行對(duì)比研究。① 在不考慮流固耦合的工況下,采用通常的附加質(zhì)量系數(shù)法,即認(rèn)為進(jìn)退運(yùn)動(dòng)中船體只在縱向發(fā)生剛體位移,水對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的影響不大,附加質(zhì)量與船體質(zhì)量M相比很小,通常取ΔM=0.02~0.07M[24],本文取附加質(zhì)量系數(shù)為0.07。② 在考慮流固耦合的工況下,將船體結(jié)構(gòu)及其周?chē)牧黧w作為一個(gè)整體考慮,即將相撞體周?chē)目諝夂退畡澐殖蒃uler有限元網(wǎng)格,采用六面實(shí)體單元;船體和鋼套箱結(jié)構(gòu)部分劃分成Lagrange有限元網(wǎng)格,采用殼單元和梁?jiǎn)卧?,材料分別為剛體和剛塑性材料。因采用多物質(zhì)材料流固耦合法,不需要網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)。流固耦合模型見(jiàn)圖3及圖4。
圖3 流固耦合模型Fig.3 Fluid-structure Coupling Model
圖4 流體-結(jié)構(gòu)相互作用Fig.4 Fluid-structure interaction
結(jié)構(gòu)和流體之間的相互作用通過(guò)耦合面實(shí)現(xiàn)力學(xué)參量的傳遞,耦合面是定義在船體外表面上的一個(gè)封閉型空間曲面。對(duì)流體而言,耦合面是一個(gè)流動(dòng)邊界,而對(duì)船體和鋼套箱結(jié)構(gòu)而言,它則是一種變化的約束。
2.5載荷和邊界條件
實(shí)際船舶在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的裝載工況很多,比如滿(mǎn)載出港和到港、壓載出港和到港等。本文主要考慮船舶的滿(mǎn)載和壓載出港時(shí)的裝載情況,其排水量分別為1 419 t和1 050 t。船舶裝載情況不同,則撞擊船舶的吃水不同(滿(mǎn)載和壓載出港吃水分別為3.4 m和2.3 m),因此撞擊點(diǎn)的位置也有差異。另外,橋梁防船撞鋼套箱的邊界條件一般約束與橋墩連接處所有節(jié)點(diǎn)的位移自由度,而浮式鋼套箱在船體撞擊過(guò)程中會(huì)上下移動(dòng),在計(jì)算工況中有必要考慮浮式橋梁防船撞鋼套箱豎向位移約束的影響。
根據(jù)上述分析,為了研究外流場(chǎng)和鋼套箱邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,給出了三大類(lèi)共6種計(jì)算工況(見(jiàn)表1)。BC1采用附加質(zhì)量系數(shù)的方法考慮流場(chǎng)的作用,BC2和BC3均采用流固耦合方法進(jìn)行計(jì)算。BC1和BC2均約束防撞鋼套箱與橋墩鏈接的所有自由度,BC3不約束鋼套箱的豎向位移。BC1~BC3都分別考慮滿(mǎn)載和壓載兩種情況以討論碰撞能量和撞擊點(diǎn)位置的影響。
表1 邊界條件和載荷工況設(shè)置
3計(jì)算結(jié)果分析
圖5為滿(mǎn)載和壓載時(shí)船體以不同速度撞擊鋼套箱
的撞深-撞擊力曲線,圖中縱坐標(biāo)Fx為橫橋向撞擊力,橫坐標(biāo)Depth為撞深。
3.1最大撞深
由結(jié)果可知,無(wú)論是壓載工況還是滿(mǎn)載工況,BC1的最大撞深均大于BC2和BC3,即考慮流固耦合時(shí)的最大撞深均小于采用附加質(zhì)量系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果。這說(shuō)明船舶在碰撞防撞鋼套箱時(shí),周?chē)黧w對(duì)船體具有一定的阻滯作用。如果只是考慮防撞裝置的破壞情況,可以直接采用附加質(zhì)量系數(shù)法來(lái)考慮外流場(chǎng)的作用,這種簡(jiǎn)化對(duì)防撞鋼套箱的設(shè)計(jì)而言偏于安全,同時(shí)也能降低計(jì)算量。此外,BC2和BC3的撞深相差不大,這說(shuō)明在考慮流固耦合的情況下,鋼套箱與橋墩連接處的垂向位移是否約束對(duì)撞深的影響不大。
圖5 撞深-碰撞力曲線Fig.5 Depth-collision forces(D-F) curves
3.2最大撞擊力
在所計(jì)算的工況中,BC1的最大撞擊力均小于BC2和BC3,即采用附加質(zhì)量法考慮流場(chǎng)影響時(shí)的最大撞擊力均小于考慮流固耦合時(shí)的計(jì)算結(jié)果。而且,隨著撞擊能量的增加,撞擊力的差異也就越大。如在壓載情況且撞擊速度為2.79 m/s 時(shí)((見(jiàn)圖5(c)),三種計(jì)算工況的撞擊力結(jié)果相差很小。而滿(mǎn)載工況時(shí)(見(jiàn)圖5(a)和圖5(b)),撞擊力差異明顯,特別是撞擊速度為4.12 m/s時(shí),在0.5 s左右撞擊力出現(xiàn)了非常明顯的峰值。該峰值的出現(xiàn)主要是由于撞擊過(guò)程中,撞擊能量較大時(shí)船體出現(xiàn)了回蕩現(xiàn)象,這取決于撞擊能量大小和防撞裝置的自身剛度。此時(shí)采用流固耦合方法獲得的峰值撞擊力約為附加質(zhì)量系數(shù)法的2倍。對(duì)于這一現(xiàn)象說(shuō)明,考慮流固耦合時(shí)的瞬時(shí)撞擊力峰值要明顯大于采用附加質(zhì)量系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果。
上述研究結(jié)論對(duì)于船-橋梁防撞裝置碰撞的研究具有特殊的意義。這是因?yàn)樵诖?船碰撞中,關(guān)心的是碰撞過(guò)程中的撞深,以確定是否會(huì)出現(xiàn)船體進(jìn)水或漏油等情況,撞擊力不是最主要的考慮因素。而對(duì)于船-橋梁防船撞裝置的碰撞分析中,由于主要關(guān)注的是通過(guò)防撞裝置的吸能作用后傳遞給橋墩的碰撞力大小,因此撞擊力的大小是衡量該防撞裝置是否有效的一項(xiàng)重要指標(biāo)。由圖5可知,采用附加質(zhì)量系數(shù)法計(jì)算得到的最大撞擊力比實(shí)際情況小,因此在船-橋梁防船撞裝置碰撞的數(shù)值分析中直接采用附加質(zhì)量系數(shù)法來(lái)考慮流場(chǎng)作用的這種簡(jiǎn)化方法具有一定的危險(xiǎn)性。對(duì)于重要橋梁防船撞裝置的數(shù)值模擬,特別是大噸位船舶的碰撞情況,有必要采用流固耦合的方法來(lái)考慮外流場(chǎng)作用,以獲得較精確的船舶撞擊力。
3.3豎向約束的影響
圖6為浮式鋼套箱在BC3(流固耦合且不約束鋼套箱豎向位移)時(shí)的應(yīng)力分布云圖。壓載時(shí)鋼套箱最大相當(dāng)應(yīng)力為442.6 MPa,大于滿(mǎn)載時(shí)鋼套箱的最大相當(dāng)應(yīng)力409.8 MPa,該結(jié)果說(shuō)明鋼套箱的最大應(yīng)力不僅與船舶動(dòng)能有關(guān),而且與船體吃水深度或撞擊點(diǎn)位置有關(guān)。
圖6 相當(dāng)應(yīng)力云圖 (BC3,v=4.12 m/s)Fig.6 Equivalent stress distributions (BC3, v=4.12 m/s)
浮式橋梁防船撞鋼套箱浮在水面上,由于船艏上下非對(duì)稱(chēng),因此在船體撞擊浮式鋼套箱時(shí)會(huì)使鋼套箱產(chǎn)生豎向分力和豎向位移。豎向位移uz的時(shí)間歷程曲線見(jiàn)圖7。由圖7可知,船舶在滿(mǎn)載與壓載吃水時(shí),由于船舶撞擊點(diǎn)的位置不同,其豎向位移歷程曲線在0.2~0.4 s之間的位移方向相反,且船體吃水或撞擊點(diǎn)會(huì)影響鋼套箱的豎向位移。同時(shí),船體的撞擊初速度越大,鋼套箱的豎向位移也就越大,即船體的撞擊能量越大時(shí),浮式鋼套箱的豎向約束也越重要。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)考慮船舶所有可能的壓載工況,而且對(duì)于浮式防船撞鋼套箱的吃水設(shè)計(jì)也非常重要。浮式鋼套箱的吃水應(yīng)該盡量減少自身的豎向位移,增加參與吸能的部分以提高鋼套箱的吸能效果。當(dāng)防撞船舶噸級(jí)較大時(shí),在船-防撞裝置的碰撞數(shù)值分析中不能單純地通過(guò)約束浮式鋼套箱的豎向位移來(lái)計(jì)算, 可以考
慮采用流固耦合方法研究不同撞擊點(diǎn)對(duì)浮式鋼套箱豎向位移的影響,或采用不同碰撞方向的分項(xiàng)附加質(zhì)量系數(shù)法來(lái)考慮。
圖7 鋼套箱垂向位移(BC3)Fig.7 Vertical displacement of steel box(BC3)
3.4內(nèi)能變化
圖8為內(nèi)能變化時(shí)間歷程曲線,圖8中Ei為結(jié)構(gòu)內(nèi)能。在壓載工況下,三種載荷工況的內(nèi)能變化相差非常小。而在滿(mǎn)載工況時(shí),采用流固耦合方法的內(nèi)能在0~0.6s階段大于采用附加質(zhì)量系數(shù)法的內(nèi)能,在約0.6s后逐漸減小,最終小于采用附加質(zhì)量系數(shù)法的內(nèi)能。
內(nèi)能的差別是因?yàn)椴捎昧鞴恬詈戏ㄓ?jì)算時(shí),船體的碰撞能量有一部分被流體吸收。該現(xiàn)象表明船體的動(dòng)能越大,考慮流固耦合與否的內(nèi)能差別也就越大。但就目前研究的工況而言,附加質(zhì)量系數(shù)法造成的內(nèi)能誤差不大。在相同速度下,滿(mǎn)載和壓載工況的防撞裝置所吸收的內(nèi)能基本接近,主要原因有兩個(gè):① 由于滿(mǎn)載工況吃水較深,流體對(duì)船體的阻尼較大,從而阻止船舶的運(yùn)動(dòng);② 由于在撞擊過(guò)程中船體會(huì)從防撞裝置側(cè)邊滑移出去,因此只有一部分動(dòng)能參與能量轉(zhuǎn)換。
圖8 內(nèi)能變化時(shí)間歷程Fig.8 Time-internal energy history curves
4結(jié)論
本文分別采用流固耦合方法以及附加質(zhì)量系數(shù)方法來(lái)考慮流場(chǎng)的影響,模擬了船舶與橋梁防船撞浮式鋼套箱的碰撞過(guò)程,研究了外部流場(chǎng)處理方法和浮式鋼套箱邊界條件對(duì)碰撞過(guò)程和計(jì)算結(jié)果的影響,結(jié)論如下:
(1) 在大能量撞擊或船體吃水較深時(shí),外流場(chǎng)對(duì)船體撞擊力和撞深的影響較為明顯。附加質(zhì)量系數(shù)法計(jì)算得到的最大撞擊力小于實(shí)際情況,同時(shí)忽略了流體的阻滯作用會(huì)使計(jì)算的撞深偏大。對(duì)于重要橋梁防船撞裝置的數(shù)值模擬,特別是可通航大噸位船舶的情況下,建議考慮流固耦合方法使獲得的最大撞擊力更接近實(shí)際情況;
(2) 船體的撞擊能量越大時(shí),浮式鋼套箱的豎向位移約束越重要。通過(guò)設(shè)計(jì)浮式鋼套箱的壓載水,可以減小鋼套箱的垂向位移,提高吸能效果。當(dāng)防撞船舶噸級(jí)較大時(shí),可以采用流固耦合來(lái)考慮浮式鋼套箱的豎向位移;
(3) 船體的動(dòng)能越大,考慮流固耦合與否的內(nèi)能差別也就越大。但就目前研究的工況而言,采用附加質(zhì)量系數(shù)法造成的內(nèi)能誤差不大。
參 考 文 獻(xiàn)
[ 1 ] Minorsky V U. An analysis of ship collision to protection of nuclear powered plant[J]. Ship Research, 1959,3(2):1-4.[ 2 ] Woisin G. Design against collision[C]//Proceedings of International Symposium on Advances in Marine Technology,Trondheim (Norway):1979:309-336.
[ 3 ] Derucher K N. Analysis of concrete bridge piers for vessel impact[C]//Proceeding of Sino-American Symposium on Bridge and Structural Engineering. China: Sept.13-19, 1982: Part I:1-11-1~1-11-25.
[ 4 ] 耿波.橋梁船撞安全評(píng)估[D]. 上海:同濟(jì)大學(xué),2007.
[ 5 ] 王君杰,宋彥臣,卜令濤. 橋墩船撞力時(shí)間過(guò)程概率模型[J].公路交通科技,2014,31(1): 82-88.
WANG Jun-jie, SONG Yan-chen, BU Ling-tao. Probabilistic model of impact force for vessel-bridge collision[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2014, 31(1): 82-88.
[ 6 ] 彭凱, 肖盛燮. 橋梁下部結(jié)構(gòu)與外物碰撞的力學(xué)模型模擬[J]. 重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào), 1999, 18(4):138-141.
PENG Kai, XIAO Sheng-xie. Suppositions on simulation models of bridge substructure in collision with other objects[J]. Journal of Chongqing Jiaotong Institute, 1999, 18(4):138-141.
[ 7 ] 胡志強(qiáng),顧永寧,高震,等.基于非線性數(shù)值模擬的船橋碰撞力快速估算[J].工程力學(xué),2005, 22(3):235-240.
HU Zhi-qiang, GU Yong-ning, GAO Zhen, et al. Fast evaluation of ship-bridge collision force based on nonlinear numerical simulation[J]. Engineering Mechanics,2005, 22(3):235-240.
[ 8 ] 李雅寧, 金允龍, 胡志強(qiáng),等. 船舶-橋墩碰撞與防護(hù)計(jì)算[J].交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào),2004,27(1):9-13.
LI Ya-ning, JIN Yun-long, HU Zhi-qiang, et al. The collision of ship-bridge pier and it’s fending calculation[J]. Journal of SSSRI,2004,27(1):9-13.
[ 9 ] 潘晉,姜偉,許明財(cái). 散貨船與橋墩碰撞力的經(jīng)驗(yàn)公式與數(shù)值模擬對(duì)比研究[J]. 振動(dòng)與沖擊,2012,31(19):123-127.
PAN Jin, JIANG Wei, XU Ming-cai. Comparison of collision force between bridges and bulk carriers based on empirical formulas and numerical simulation[J]. Journal of Vibration and Shock,2012,31(19): 123-127.
[10] 潘晉,張敏,許明財(cái).橋梁防船撞鋼套箱的碰撞力快速估算[J]. 振動(dòng)與沖擊,2014,33(8): 66-71.
PAN Jin, ZHANG Min, XU Ming-cai. Rapid estimation of collision force between a ship and a steel box for bridge protection[J]. Journal of Vibration and Shock,2014,33(8): 66-71.
[11] 于俊杰,鄭國(guó)富. 泰州長(zhǎng)江公路大橋夾江主橋船撞力研究與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 橋梁建設(shè),2010(5):50-52.
YU Jun-jie, ZHENG Guo-fu. Study of ship collision force and structural design of foundations of main bridges of jiajiang bridge of Taizhou Changjiang river highway bridge[J]. Bridge Construction,2010(5):50-52.
[12] 王君杰,陳誠(chéng),汪宏,等. 基于碰撞數(shù)值模擬的橋梁等效靜力船撞力-基本公式[J]. 公路交通科技,2009(2):66-70.
WANG Jun-jie, CHEN Cheng, WANG Hong, et al. Equivalent static force of ship impact to bridge based on impact numeric simulation-fundamental formula[J].Technology of Highway and Transport,2009(2):66-70.
[13] 劉建成, 顧永寧, 胡志強(qiáng). 橋墩在船橋碰撞中的響應(yīng)及損傷分析[J]. 公路, 2000(10): 33-41.
LIU Jian-cheng, GU Yong-ning, HU Zhi-qiang. Response and damage of bridge pier during ship-bridge collision[J]. Highway, 2000(10): 33-41.
[14] 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(guó)外橋梁, 2001(4): 72-75.
WANG Zhao-jun, CHEN Chuan-yao, ZHANG Jian-jun, et al. Numerical simulation analysis of bridge pier protective device[J].World Bridges, 2001(4): 72-75.
[15] 潘晉,吳衛(wèi)國(guó),王德禹,等. 船-橋墩防護(hù)裝置碰撞中的影響因素研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2005, 29(4):538-541.
PAN Jin, WU Wei-guo, WANG De-yu, et al. Uncertain factors research on collision between ship and anti-collision equipment[J]. Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science & Engineering, 2005, 29(4):538-541.
[16] 范彬,王林.船橋碰撞及橋梁防撞結(jié)構(gòu)研究[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,19(4): 1-5.
FAN Bin, WANG Lin.Study on ship-bridge collision and protection structure of bridge[J]. Journal of East China Shipbuilding Institute:Natural Science Edition, 2005,19(4): 1-5.
[17] 李升玉,王曙光,劉偉慶,等. 船舶與橋墩防撞系統(tǒng)碰撞的數(shù)值仿真分析[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2006, 15(5): 100-106.
LI Sheng-yu, WANG Shu-guang, LIU Wei-qing, et al. Numerical simulations of ship collision with protective devices of bridge pier[J].Journal of Natural Disasters, 2006,15(5): 100-106.
[18] Peng S, Wu W G, Pan J, et al. Non-linear finite element drop collision simulation of the anti-collision device hitting a bridge pile cap[C]//Proceedings of the ASME 2010 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. China(Shanghai): American Society of Mechanical Engineers, 2010: OMAE2010-20351.
[19] 臧秀平,楊波,王林. 船橋碰撞下箱式防護(hù)裝置的性能研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,23(3):197-201.
ZANG Xiu-ping, YANG Bo, WANG Lin. Study on the box-type protective device under the collision of ship and bridge[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural Science Edition, 2009,23(3): 197-201.
[20] 李浩. 榕江特大橋主墩防撞設(shè)施船撞有限元仿真分析與計(jì)算[J].中國(guó)水運(yùn), 2012,12(6): 45-49.
LI Hao. Finite element numerical analysis and calculation of anti-collision equipment of the main pier of rongjiang bridge[J].China Water Transport, 2012, 12(6): 45-49.
[21] Lü W, Lu R L, Ning X L, et al. A mechanical calculation of the flexible& floating anti-ship collision device for bridge piers.[J]. Advanced Materials Research, 2012, 479/480/481: 2540-2545.
[22] 王自力, 顧永寧. 船舶碰撞動(dòng)力學(xué)過(guò)程的數(shù)值仿真研究[J]. 爆炸與沖擊, 2001,21(1):29-34.
WANG Zi-li, GU Yong-ning. Numerical simulations of ship/ship collisions[J]. Explosion and Shock Waves, 2001,21(1): 29-34.
[23] Pill I, Tabri K. Finite element simulation of ship collisions: A coupled approach to external dynamics and inner mechanics[C]//Analysis and Design of Marine Stuctures, Guedes Soare& Das(eds). Taylar&Francis Group, London:2009,ISBN 978-0-415-54934-9.
[24] Petersen M J. Dynamics of ship collisions[J]. Ocean Engineering,1982,9(4):295-329.
Two fluid field processing method’s results companson for numerical simulation of collision between a ship and a floating anti-collision steel box
PANJin1,ZHANGXiao-qiang1,XUMing-cai2,3,RENShu-xia4(1. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430070, China; 3. Wuhan Lituo Bridge Protection Technology Co. Ltd, Wuhan 430070, China; 4. Shanghai Merchant Ship Design & Research Institute, Shanghai 430070, China)
Abstract:A numerical simulation of collision between a 1 000 t ship and a floating anti-collision steel box of bridges was performed using the FE soft ware Ansys/Ls-dyna. In order to analyze influences of flow field on the results of the numerical simulation, the fluid-structure coupling method and the added mass coefficient method were applied, respectively to simulate the action of flow field during collision and the results using the two methods were compared, such as, collision force, collision depth, vertical displacement and internal energy change of the anti-collision steel box. Results showed that when considering fluid-structure interaction, the maximum collision depth is smaller, meanwhile the maximum collision force is larger, and the maximum collision force is significantly larger with increase in collision energy, compared to those using the added mass coefficient method; therefore, using the fluid-structure interaction method to consider the action of flow field is necessary for the anti-collision steel box design of bridges; furthermore, the larger the ship collision energy the more important the vertical displacement constraint of the box; by designing the ballast water capacity appropriately, the vertical displacement of the steel box during collision can be reduced and its energy-absorbing capability can be improved.
Key words:ship; bridge; fluid-structure interaction; added mass coefficient; anti-collision steel box; finite element method
中圖分類(lèi)號(hào):U663
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.07.019
通信作者許明財(cái) 男,博士,副教授,1978年4月生
收稿日期:2014-11-12修改稿收到日期:2015-04-03
基金項(xiàng)目:中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(2013-VII-032)
第一作者 潘晉 女,博士,副教授,1978年生
E-mail:xumc@163.com