船與橋墩防撞裝置的有限元仿真研究

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院航海系，江蘇南通 226010)

船與橋墩防撞裝置的有限元仿真研究

肖金峰

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院航海系，江蘇南通 226010)

在船橋碰撞中，利用非線性有限元分析軟件MSC.DYTRAN對(duì)3000噸內(nèi)河貨船和九圩港大橋橋墩的防撞套箱分別建立有限元模型，對(duì)整個(gè)撞擊過程進(jìn)行仿真分析和計(jì)算，研究碰撞過程中船橋出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性損傷、碰撞力以及能量發(fā)生的變化，最終對(duì)橋墩防撞套箱的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化并提出建議。

船橋碰撞；防撞套箱；有限元模型；碰撞力

項(xiàng)目來源：江蘇省航海學(xué)會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)2015B01)“基于MSC.DYTRAN仿真環(huán)境下的船橋碰撞分析及防護(hù)措施研究”的主要成果。

當(dāng)船舶撞擊橋墩時(shí)，若船舶撞擊力大于橋墩的承載能力，則橋墩的抗沖擊能力既不能由橋墩提供，也不能由撞擊橋墩的船舶提供，這是因?yàn)椋簶蚨盏膭偠容^大，不能產(chǎn)生較大的塑性變形來緩解撞擊動(dòng)能。為了保證橋梁上部結(jié)構(gòu)的安全，不允許橋墩有較大的位移，不論船頭剛度多小，其變形只能由船頭鋼板的壓扁長度提供，故不能產(chǎn)生較大的變形，因此船頭變形所能緩解的撞擊動(dòng)能和總的撞擊動(dòng)能相比是較小的。為了保護(hù)橋梁的安全，研究并使用橋墩防護(hù)裝置勢在必行。

1 防撞套箱的設(shè)計(jì)

防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)有以下要求：

(1)保證橋梁的安全，當(dāng)橋梁發(fā)生碰撞以后，橋墩還能繼續(xù)承載；

(2)防護(hù)裝置是用來保護(hù)橋墩的，發(fā)生碰撞后可以受損；

(3)對(duì)船舶的保護(hù)在防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)給予必要的考慮，盡量避免沉船事故的發(fā)生。

1.1 防撞套箱設(shè)計(jì)

防撞套箱主要由面板(甲板和外板)、內(nèi)部連接鋼板、主底梁、分配梁以及一些限位結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成。其中面板厚度為8 mm，總重量為40.4 t。連接鋼板采用14 mm，重量可達(dá)14 t。主底梁和分配梁采用14工字鋼，重量分別為57 t和10 t。限位結(jié)構(gòu)用槽鋼進(jìn)行設(shè)置，見圖1。

圖1 防撞套箱設(shè)計(jì)圖

1.2 有限元模型

防撞套箱的強(qiáng)度計(jì)算采用有限元分析軟件MSC.DYTRAN，分析了主墩防撞套箱在自身重力作用下的靜強(qiáng)度。防撞套箱為固定式箱形結(jié)構(gòu)，安裝在橋墩承臺(tái)周圍。有限元模型坐標(biāo)系：x軸指向型長方向、y軸指向型寬方向、z軸指向高度方向。有限元模型包括各層平臺(tái)板，縱橫艙壁板，扶強(qiáng)材，桁材等。橋梁防護(hù)裝置、橋墩及橋墩防護(hù)裝置有限元模型見圖2。

圖2 整體有限元模型

1.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

(1)載荷計(jì)算工況：結(jié)構(gòu)自重和附連水質(zhì)量(系數(shù)取0.05)作用下，鋼套箱自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(2)模型邊界條件：套箱內(nèi)圍壁頂部節(jié)點(diǎn)固定約束。

(3)單元參數(shù)：材料彈性模量E=2.1×1011 N/mm2，泊松比0.3，σy=235 N/mm2。板材厚度、構(gòu)件尺寸詳見防撞套箱設(shè)計(jì)圖(圖1)。

(4)許用應(yīng)力

(5)計(jì)算結(jié)果

表1 主墩套箱計(jì)算結(jié)果匯總表

圖3 套箱外壁板等效應(yīng)力分布(N/m2)

圖4 套箱外壁板剪應(yīng)力分布(N/m2)

通過表1、圖3及圖4計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)防撞套箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。因此可以將該結(jié)構(gòu)用在橋墩外圍，為后續(xù)的碰撞做準(zhǔn)備。

1.4 材料、接觸等相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)材料模擬

研究對(duì)象的材料全部使用船用低碳鋼，船體、橋墩及其防護(hù)裝置的材料參數(shù)見表2，最大失效應(yīng)變?yōu)?.3。

(2)接觸算法

表2 材料參數(shù)

隨著碰撞的進(jìn)行，不管是船舶還是橋墩及其防護(hù)裝置都會(huì)逐步發(fā)生損傷,因此要采用嚴(yán)格的接觸定義。拉格朗日結(jié)點(diǎn)及單元之間的相互作用來定義“接觸”。主要有3種類型的接觸：主-從面接觸；單面或自身接觸；自適應(yīng)或侵蝕接觸[1]。本文采用主-從面接觸來定義船橋之間的碰撞。

1.5 其余參數(shù)設(shè)定

為了便于計(jì)算，采取如下參數(shù)設(shè)定：

(1)采用3000t貨船的艏部與橋墩防護(hù)裝置套箱之間的碰正面撞擊，船舶首部往后的區(qū)域(貨艙到船尾)對(duì)碰撞的影響很小，其變形在此處忽略，在建模時(shí)設(shè)置為剛體。[2]

(2)計(jì)算過程中，船舶與橋墩防護(hù)裝置之間的距離對(duì)于計(jì)算的時(shí)間有著很大聯(lián)系。為了減小不必要的時(shí)間分析，把船體與橋墩防護(hù)裝置模型之間的距離取為1 mm(必要時(shí)可以設(shè)置更小些)。

(3)本文中碰撞速度定為3.97 m/s(約14 km/h)，所取發(fā)生碰撞的速度要比航行速度(單船的航行速度一般在6～8 km/h)大些，因此碰撞分析考慮的是最嚴(yán)重的情況。

(4)在碰撞仿真計(jì)算中，計(jì)算時(shí)間初步設(shè)定為1.5 s。

1.6 計(jì)算工況

在撞擊過程中，考慮的因素包括撞擊位置、速度、船舶裝載狀況、撞擊水位等。[3]本文在分析碰撞過程參數(shù)見表3。

表3 撞擊工況

2 碰撞分析

2.1 碰撞模型

碰撞模型見圖5。

圖5 撞擊套箱的有限元計(jì)算模型

2.2 速度與位移曲線

由于碰撞過程中加了防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)模型，因此計(jì)算時(shí)間達(dá)到21小時(shí)左右，步數(shù)控制在1 500步。從圖6和圖7中可以發(fā)現(xiàn)，速度曲線和位移曲線均帶有非線性的特點(diǎn)。一開始，船首與橋墩(防護(hù)裝置)之間發(fā)生碰撞程度不是很明顯，兩根曲線略帶有線性。隨著時(shí)間的增加，碰撞區(qū)域也發(fā)生變化，更多構(gòu)件參與的碰撞，因此船速下降比較明顯，最終將為0，此時(shí)碰撞時(shí)間為0.9 s，位移為1.41 m。

圖6 速度曲線

圖7 位移曲線

2.3 碰撞力曲線

圖8給出碰撞過程中防護(hù)裝置所受到的碰撞力時(shí)序曲線。在碰撞過程中，防護(hù)裝置的作用過程可以分為三個(gè)階段：

圖8 碰撞力曲線

初始彈性階段(0～0.15 s)：防護(hù)裝置僅存在彈性變形，碰撞力迅速增加，未發(fā)生構(gòu)件的塑性變形及屈服崩潰的現(xiàn)象；塑性損傷階段(0.15～0.64 s)：在碰撞過程中，始終伴隨著防護(hù)裝置構(gòu)件的不斷失效和破壞造成的卸載現(xiàn)象。碰撞力取決于防護(hù)裝置構(gòu)件在某一時(shí)刻所有發(fā)生屈曲變形的構(gòu)件，此階段最大碰撞力為18.5 MN。穩(wěn)定崩潰階段(0.64 s至結(jié)束)：在該階段，橋梁受到的沖擊載荷完全由防護(hù)裝置自身的崩潰載荷所決定。圖8顯示防護(hù)裝置的“穩(wěn)定崩潰力”為15 MN左右。碰撞力會(huì)因撞擊體反方向滑離防護(hù)裝置也迅速降至零。如果將防護(hù)裝置的剛度設(shè)計(jì)得更小，隨著其最大碰撞力的減小，橋墩受到的沖擊載荷會(huì)進(jìn)一步減小。因此，可以根據(jù)橋梁防護(hù)要求，設(shè)計(jì)防護(hù)裝置的剛度。

2.4 能量曲線

圖9和圖10給出了在碰撞過程中船首的能量曲線和防護(hù)裝置的變形能曲線。在碰撞結(jié)束時(shí)刻防護(hù)裝置的變形能是1.05 MJ，自身的變形能為18.04 MJ，約占總碰撞能的84%。在碰撞過程中防護(hù)裝置的動(dòng)能始終保持在很小值范圍內(nèi)，計(jì)算表明僅為104 J數(shù)量級(jí)，與防護(hù)裝置的變形能106 J相比，可以忽略不計(jì)。另外一小部分能量損失在沙漏能量和摩擦能量中。所以說防護(hù)裝置正是通過自身的塑性變形來吸收碰撞能量，進(jìn)而減少船舶撞擊橋梁時(shí)傳到橋梁上的碰撞力，以起到保護(hù)橋梁的目的。

圖9 船艏結(jié)構(gòu)破損吸能時(shí)程曲線

圖10 防護(hù)裝置破損吸能時(shí)程曲線

2.5 損傷性能

圖11中體現(xiàn)了防護(hù)裝置的變形圖。由圖11中可以看出，結(jié)構(gòu)的損傷變形主要集中在撞擊區(qū)域，這表明防護(hù)裝置抗撞能力的提高應(yīng)該立足于提高容易遭受撞擊的區(qū)域，整體結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)是不必要的。由圖11可見碰撞區(qū)周圍的一些單元應(yīng)力己經(jīng)大大超過了靜載作用下的屈服應(yīng)力235 N/mm2，進(jìn)入了塑性變形階段，而遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的單元仍保證未碰前的應(yīng)力狀態(tài)。這就進(jìn)一步說明，防護(hù)裝置只需要在易受碰撞的薄弱部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。另外，應(yīng)變率對(duì)屈服極限有明顯的影響，在較高應(yīng)變率下，動(dòng)力屈服極限可以高出靜力屈服極限2～3倍。

2.6 結(jié)果匯總

橋墩采用防護(hù)裝置后船橋碰撞結(jié)果匯總見表3。

以3 000 t貨船與九圩港大橋主橋墩的防撞套箱的碰撞為研究對(duì)象，利用MSC.DYTRAN有限元軟件完成其正向撞擊九圩港大橋橋墩套箱的數(shù)值仿真分析。結(jié)論如下：

圖11 船艏與防護(hù)裝置破損時(shí)間歷程

工況撞擊力最大值(MN)撞擊時(shí)間歷程(s)船艏破損耗能(MJ)船艏最大位移(m)防護(hù)裝置破損耗能(MJ)總能量(MJ)3000t船與橋墩防護(hù)裝置撞擊18.50.9018.041.411.0522.81

(1)3 000 t貨船航行速度初定為3.97 m/s(約14 km/h)。

當(dāng)碰撞時(shí)間至0.9 0s時(shí)，貨船的航行速度降為0。此時(shí)船舶航行的最大位移為1.05 m；貨船總動(dòng)能22.81 MJ；變形能數(shù)值為18.04 MJ。它們的變形能約占總能量的79%；

(2)當(dāng)時(shí)間t=0.40 s時(shí)，3 000 t貨船與橋墩之間的碰撞力達(dá)到最大值，最大值為18.5 MN。此時(shí)舷側(cè)外板連接附近發(fā)生失效破損；

(3)3000t貨船碰撞損傷變形具有明顯的局部性，主要發(fā)生在船艏部區(qū)域。貨船整體的動(dòng)能損失主要由船艏塑性變形能吸收。

(4)防護(hù)裝置改善船橋碰撞效果。與橋墩沒有采用防護(hù)裝置相比，碰撞時(shí)間有所增加，說明防護(hù)裝置有延緩船與橋之間的耐撞時(shí)間。增設(shè)了防護(hù)裝置后，部分結(jié)構(gòu)參與了碰撞，產(chǎn)生了變形能，進(jìn)而船首的變形有所減少。

3 總結(jié)與展望

利用非線性有限MSC.DYTRAN軟件對(duì)一艘3 000 t貨船與設(shè)計(jì)出的防護(hù)裝置之間碰撞進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬，通過分析碰撞過程中碰撞力、結(jié)構(gòu)變形及損傷、能量轉(zhuǎn)換等，進(jìn)一步對(duì)防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析。通過這些變化量的數(shù)據(jù)分析、碰撞損壞程度的大小，可以為后續(xù)防護(hù)裝置改進(jìn)做準(zhǔn)備。對(duì)防護(hù)裝置的改進(jìn)，目前主要有兩個(gè)方向：一種方法是改變防護(hù)裝置的材料，可用一種強(qiáng)度和韌性都更高的材料來代替低碳鋼；另一種方法是通過增加防護(hù)裝置的尺寸(厚度)來對(duì)橋墩加以保護(hù)。這兩種改進(jìn)方法在后續(xù)的研究中也可以同時(shí)借鑒，并最終找出最佳方案，將船橋碰撞的損失降到最低。

1 宗小建，顧永寧，王自力.單殼船側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞能量吸收[J].船舶工程，2000(10).

2 肖波，李軍.船橋碰撞中橋墩防撞裝置性能研究[J].水運(yùn)工程，2010(03).

3 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(06).

Abstract: The non-linear finite element analysis software MSC.DYTRAN is used to simulate and calculate the whole ship-bridge collision process, by establishing the finite element models of the 3000- toncargo ship and Jiuweigang bridge.The structural damages, collision force and energy changes caused during the collision process are studied, and then the optimization designing of the pier collision box is put forward.

Keywords:ship bridge collision; anti-collision box; finite element model; collision force

(責(zé)任編輯：譚銀元)

FiniteElementSimulationofCollisionbetweenShipandPierAnti-collisionEquipment

XIAOJin-feng
(Nantong Shipping College, Nantong 226010, China)

U654

A

1671-8100(2017)03-0014-06

2017-04-23

肖金峰，男，碩士，講師，遠(yuǎn)洋船長，主要從事航海技術(shù)教學(xué)與科研工作。