升船機承船廂防撞裝置受撞數(shù)值模擬研究

韓 申，鄭恩東，王 新，朱召泉

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098；2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210029)

隨著國內(nèi)高壩的建設(shè), 升船機已在高壩通航中發(fā)揮越來越重要的作用[1]，一般在承船廂兩端、工作閘門的內(nèi)側(cè)設(shè)置防撞裝置, 以防止進廂船舶因誤操作而發(fā)生事故[2]，國內(nèi)外關(guān)于防撞裝置的研究很少，僅有的一些研究也基本屬于較為簡單的理論分析或小型實船撞擊試驗。鄭維鈺等[3]進行了實船試驗，研究了以鋼絲繩為主要元件的柔性防撞裝置的保護性能；方曉敏等[4]在隔河巖升船機中提出并設(shè)計了“防撞繩加緩沖油缸”型式的防撞裝置；郝平[5]研究了升船機防撞梁與船舶撞擊的動力響應(yīng)，但此研究基于多種假設(shè)；趙亞楠等[6]對帶有鎖閂機構(gòu)的防撞裝置設(shè)備組成和結(jié)構(gòu)型式進行了介紹；王悅等[7]闡述了防撞裝置調(diào)試的內(nèi)容及控制要求；王新等[8]首次在景洪升船機進行了承船廂廂頭閘門防撞裝置的實船撞擊試驗，探討了“防撞梁加緩沖油缸”型式防撞裝置的防撞效果和影響因素；為深入了解三峽升船機防撞裝置的防撞效果，王新[9]在三峽升船機開展了承船廂廂頭閘門防撞裝置的實船撞擊試驗，測試了不同船舶行駛速度對碰撞結(jié)果的影響；2018年，王新等[10]在向家壩升船機進行現(xiàn)場實船撞擊試驗，該試驗揭示了“防撞繩加緩沖油缸”防撞裝置的工作機制和耗能特性。

本文以向家壩升船機承船廂防撞裝置為背景工程，采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，進行“防撞繩加緩沖油缸”防撞裝置的船舶撞擊數(shù)值模擬，分析不同船艏形狀、船舶速度和防撞繩受撞位置等因素對防撞裝置的受撞性能與耗能情況的影響，從而為此類防撞裝置的合理設(shè)計與安全運行提供參考依據(jù)。

1 船舶及防撞裝置模型有限元建立

1.1 船舶模型

以現(xiàn)場撞擊試驗所采用的942 t的自卸貨船為對象建立船舶有限元模型，船舶尺寸為57.6 m×10.8 m×11.8 m(長×寬×高)，其中船舶型深3.2 m，吃水2.3 m，試驗時排水量942 t，船艏傾角大約45°。因船舶與防撞裝置碰撞時，僅船艏部分發(fā)生碰撞接觸，船身并未直接參與接觸碰撞，為簡化計算，船艏選用LS-DYNA程序中003號應(yīng)變強化彈塑性材料，采用殼單元Shell163模擬；船身按剛性體材料采用實體單元Solid164模擬，并通過改變船身剛性體的質(zhì)量密度來等效模擬船舶的實際重量。

1.2 防撞繩加緩沖油缸模型

防撞鋼絲繩采用Link167單元模擬，緩沖油缸采用彈簧單元Combi165來建立。為提高撞擊位置的模擬精度，防撞繩線單元需精細(xì)劃分，長度取為10 mm。

1.3 流體模型

承船廂水域范圍長×寬×水深為116.0 m×12.0 m×3.0 m，采用無旋轉(zhuǎn)、無壓縮和無粘度的線性流體模型模擬水體單元，先對水體[11]采用Solid164實體單元建模，再對水體參數(shù)進行修改。水體參數(shù)通過關(guān)鍵字*MAT_NULL定義，空材料參數(shù)及狀態(tài)方程參考勞倫斯國家實驗室試驗得到的參數(shù)擬合值。對于水體的網(wǎng)格特征尺寸取為400 mm。

圖1 水體、船舶與防撞裝置整體系統(tǒng)有限元模型

1.4 約束條件

對于升船機承船廂內(nèi)水體，其前后左右及底面分別與船廂廂頭閘門、船廂側(cè)壁和船廂底鋪板接觸，故在水體與承船廂的上述接觸面均設(shè)置接觸面法線方向約束，使水體不能超出承船廂范圍。對于防撞繩，與油缸相連接部分而處于活塞軌道內(nèi)的防撞繩段，只允許沿承船廂縱向運動，約束另兩方向的位移，緩沖油缸與承船廂相連的一端按固定鉸支座處理。船艏與防撞繩自動點面接觸，船艏內(nèi)部自動單面接觸；考慮流固耦合的兩個對象主要是船舶與承船廂內(nèi)水體之間的相互作用。

綜上，水體、船舶與防撞裝置整體系統(tǒng)的有限元模型如圖1所示，整體模型的BEAM單元數(shù)783，DISCRETE單元數(shù)1，SHELL單元數(shù)18 285，SOLID單元數(shù)30 850，單元節(jié)點60 123個。

2 計算工況

首先對試驗工況進行數(shù)值模擬并經(jīng)試驗結(jié)果驗證，在驗證數(shù)值模擬結(jié)果的精度和可行性后，再開展其他工況下的撞擊數(shù)值模擬。向家壩防撞裝置現(xiàn)場試驗共進行了5組工況，試驗船舶的船艏斜面傾角為45°，船舶正面撞擊防撞繩中間位置，船速分別為0.22 m/s、0.26 m/s、0.38 m/s、0.52 m/s和0.6 m/s。

圖2 試驗與模擬防撞繩拉力最大值對比

完成數(shù)值模擬與上述試驗結(jié)果對比驗證后，分別考慮不同船艏傾角(30°、45°和60°)、不同船舶速度(0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s、0.6 m/s和0.7 m/s)和撞擊防撞繩的不同位置(中間、左邊、右邊)等其他工況，分析該類防撞裝置的受撞性能。

3 結(jié)果分析

3.1 撞擊過程受力情況

為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的計算精度和可行性，分別列出現(xiàn)場試驗情況與數(shù)值模擬所得防撞繩受撞拉力的最大值，其對比曲線如圖2所示。

由圖2可知，初始速度小于0.38 m/s時，試驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相差稍大，誤差值大約在15%，在初始速度大于等于0.38 m/s時，試驗數(shù)值與模擬數(shù)值較為接近，兩者誤差在5%左右，而本文主要研究的是撞擊速度大于0.3 m/s的碰撞情況，在此范圍內(nèi)，數(shù)值模擬與試驗結(jié)果較接近。

經(jīng)有限元分析，繪出船艏斜面傾角為45°時不同撞擊速度及不同撞擊位置時的防撞繩最大拉力如圖3所示。而不同船艏斜面傾角的船舶，以撞擊速度為0.5 m/s且撞擊在鋼絲繩中間位置時的防撞繩最大拉力如圖4所示。

圖3 不同撞擊位置防撞繩最大拉力-速度曲線圖

由圖3可知，撞擊位置相同時，速度越大，防撞繩最大拉力越大，當(dāng)船速超過0.6 m/s，此時油缸的行程已超過1 200 mm，此階段油缸拉力與緩沖油缸行程呈負(fù)相關(guān)，油缸拉力有所下降，致使防撞繩拉力出現(xiàn)較快的增長趨勢；在同一船速下，船舶在中間位置撞擊產(chǎn)生的防撞繩拉力最大；由圖4可知，船艏角度與防撞繩拉力呈負(fù)相關(guān)，這是因為船艏角度越小，船艏曲面平坦，在視覺上呈現(xiàn)出“尖角”的形狀，撞擊時防撞繩產(chǎn)生的變形量越大。

3.2 撞擊過程的位移變化情況

船舶撞到鋼絲繩后的最大緩沖距離的試驗值與數(shù)值模擬結(jié)果變化趨勢相同，試驗值比數(shù)值模擬結(jié)果稍大，平均誤差在6%左右。不同撞擊工況下船舶的最大緩沖距離對比結(jié)果曲線如圖5、圖6所示。

圖5 不同位置撞擊時的船舶緩沖距離

由圖5、圖6可知，相同船舶在同一撞擊位置時，船舶緩沖距離與船速正相關(guān)；相同船舶在同一船速下，右側(cè)撞擊緩沖距離最大，因緩沖油缸設(shè)置在右側(cè)，鋼絲繩右端相對于固定連接的左端，約束剛度偏小，故緩沖距離更大；船艏角度越小，受撞時防撞繩越能沿著船艏曲面向下移動，使船舶緩沖距離加長。當(dāng)船速以0.7 m/s碰撞防撞繩時，船舶最大緩沖距離為2.8 m，已超過設(shè)計要求的船舶最大緩沖距離2.5 m，建議采用直徑更大的防撞繩與阻尼更大的緩沖油缸，以滿足防撞設(shè)計要求。

3.3 撞擊過程中的能量轉(zhuǎn)化情況

船舶與防撞裝置接觸碰撞過程中會發(fā)生能量轉(zhuǎn)化，以試驗撞擊速度0.52 m/s碰撞防撞繩中間位置為例，繪制碰撞過程防撞系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化曲線如圖7所示，船舶動能變化(船舶內(nèi)能和沙漏能很小，忽略不計，只考慮動能變化)情況如圖8所示。

如圖7所示，接觸碰撞過程可分為三段，分別為0～0.8 s、0.8～4.2 s、4.2～6.0 s。船舶前進初期，系統(tǒng)總能量與船舶動能相等，大約為127 kJ。在0～0.8 s，船舶與防撞繩接觸碰撞前，船舶動能略有下降，主要因為水體緩沖作用，在這段時間內(nèi)，船舶一部分動能轉(zhuǎn)化為水體內(nèi)能和動能，以及部分系統(tǒng)沙漏能，在船舶接觸到防撞繩之前，船舶動能為121 kJ；在0.8～4.2 s，船舶與防撞繩接觸，在防撞繩拉力作用下，船舶動能逐漸減小，在4.2 s時船舶動能降至零；在圖7和圖8中，系統(tǒng)動能仍存在殘余值，這是因為船舶動能雖然降至零，但系統(tǒng)中其他部件仍有動能，例如水體的動能；在4.2～6.0 s，船舶開始往回移動，防撞繩變形漸漸恢復(fù)，緩沖油缸活塞桿縮回，船舶動能逐漸增大，但此時兩者并未分離，故仍存在摩擦力，直至6.0 s，在此過程中，防撞系統(tǒng)的內(nèi)能又轉(zhuǎn)化為船舶動能、水體動能與內(nèi)能、界面滑移能及一部分沙漏能；在接觸結(jié)束時，船舶動能為111 kJ，界面滑移能為12.6 kJ，水體內(nèi)能為4.89 kJ，防撞繩與緩沖油缸內(nèi)能趨近于零，沙漏能6.63 kJ；在整個碰撞—接觸—分離的過程中，船艏剛度較大，變形很小，防撞裝置屬于柔性，只有彈性變形，系統(tǒng)幾乎沒有產(chǎn)生塑性變形能，沙漏能占內(nèi)能峰值的5.8%，小于10%，可以判定數(shù)值模擬計算結(jié)果正確且可以接受。

圖7 防撞系統(tǒng)碰撞能量-時間曲線

為進一步了解在接觸碰撞過程中能量消耗的情況，以船舶速度降到最低時為參照，分析對比碰撞系統(tǒng)各部分消耗船舶能量的情況，在向家壩升船機承船廂防撞系統(tǒng)碰撞試驗中，船舶以撞擊速度0.52 m/s碰撞防撞繩中間位置時，系統(tǒng)總能量為127 kJ，船舶防撞裝置消耗能量109.97 kJ，占總能量86.4%，對應(yīng)工況下的數(shù)值模擬結(jié)果為89.7%，二者較為相近。表1列出了試驗工況與對應(yīng)的數(shù)值模擬工況船舶防撞裝置消耗能量的對比情況，因界面滑移能與水體能量很小，主要進行防撞繩與緩沖油缸耗能情況對比。

表1 試驗與模擬耗能對比

由表1可知，船舶與防撞裝置碰撞的數(shù)值模擬結(jié)果表明，防撞繩與緩沖油缸總耗能占比為89.7%～93%，其余能量則被水體、界面摩擦以及一部分沙漏能消耗掉；而試驗結(jié)果中，船舶初始速度為0.22 m/s、0.26 m/s和0.6 m/s時，防撞裝置總耗能占比為86.4%～90.5%(而在試驗完成后，發(fā)現(xiàn)撞擊速度為0.38 m/s與0.60 m/s試驗工況下防撞裝置耗能結(jié)果占比出現(xiàn)規(guī)律異常，但復(fù)查試驗環(huán)節(jié)并未發(fā)現(xiàn)特殊原因，為完整記錄試驗結(jié)果，故也將其列入表1)。數(shù)值模擬與現(xiàn)場撞擊試驗防撞裝置總耗能情況出現(xiàn)差別的原因，主要是數(shù)值模擬時未能考慮現(xiàn)場試驗中存在的某些影響因素，如承船廂水流速度、試驗現(xiàn)場的風(fēng)速、防撞繩的老化、緩沖油缸活塞桿的摩擦潤滑情況、船艏曲面老舊程度及防撞系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的初始缺陷等。因此，數(shù)值模擬所得的防撞裝置耗能要大于現(xiàn)場試驗，模擬結(jié)果更偏向于理想的撞擊過程。

其他工況下防撞裝置的耗能情況數(shù)值分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，各個工況下總耗能占比都在90%左右，碰撞事故發(fā)生時，防撞裝置能有效阻止船舶繼續(xù)前進，大量消耗船舶動能，可起到保護升船機承船廂廂頭閘門的作用。而在防撞裝置內(nèi)部部件耗能情況略有不同，其中撞擊位置在左邊的，緩沖油缸耗能占比最大，平均達到70.54%，而中間位置耗能占比為63.96%，右邊位置最小為61.81%。同樣，撞擊位置在右邊的，防撞繩耗能占比最大為29.1%，中間次之為27.4%，左邊最小為20.71%。而防撞繩耗能與緩沖油缸耗能占比與船舶速度關(guān)系不大，均在一確定的范圍內(nèi)波動。此外，船艏角度的影響也較為突出，船艏角度越小，緩沖油缸耗能占比越大，則防撞繩耗能占比越小，這是因為在船艏角度越小，船舶與防撞繩接觸越不充分，防撞繩很快沿著船艏斜面向下滑動，做功也越小，船艏角度越大，越接近一個豎直曲面，則接觸越充分。

表2 不同工況下防撞裝置的耗能情況數(shù)值分析結(jié)果

4 結(jié)論

(1)同一船舶在相同船速下，撞擊在防撞繩不同位置時，防撞繩產(chǎn)生的拉力不同，中間位置受撞時防撞繩拉力最大，在左邊與右邊受撞時防撞繩拉力稍小。同型船舶在相同船速下，不同角度船艏也會對防撞繩拉力有影響，具體表現(xiàn)為船艏角度越小，防撞繩拉力越大。(2)船舶在不同位置撞擊防撞繩時，撞擊位置越靠近緩沖油缸，船舶緩沖距離越大；其他因素相同時，船艏角度越大，船舶緩沖距離越小。(3)各撞擊工況下，防撞裝置耗能占比大致為總能量90%，耗能情況良好，能有效阻止船舶進一步前沖撞擊承船廂廂頭閘門；防撞裝置中各個部件耗能占比略有不同，撞擊位置越遠(yuǎn)離緩沖油缸，緩沖油缸耗能占比越大；船艏角度越小，緩沖油缸耗能占比越大，防撞繩耗能占比越小。在船速較大時，可能會出現(xiàn)船舶緩沖距離超過設(shè)計要求的情況，值得注意。(4)在船舶駛?cè)氤写瑤麜r，應(yīng)盡量減小船速，如不可避免要撞擊到防撞繩，應(yīng)盡量控制撞擊遠(yuǎn)離緩沖油缸的位置，此時產(chǎn)生的防撞繩拉力相對較小，船舶緩沖距離更短，此時緩沖油缸耗能占比增大，在設(shè)計防撞裝置時，建議選用耗能效果較好的緩沖油缸。若實際航行的船舶船艏角度較小，則選用屈服強度更高，截面面積更大的防撞繩，并搭配緩沖效果更好的緩沖油缸。