纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)船撞吸能試驗(yàn)與模擬

趙 凡，方 海，梁志雯，祝 露，韓 娟，王 盛

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004)

當(dāng)前國內(nèi)外常用橋梁防撞設(shè)施，如人工島、群樁、鋼套箱、橡膠護(hù)舷等，存在占用航道多、撞損后難以修復(fù)、船撞力削減幅度有限等諸多弊端[1-7]，因此，采用新材料設(shè)計(jì)開發(fā)新型防撞系統(tǒng)具有重要意義.

針對(duì)以上傳統(tǒng)材料防撞設(shè)施的局限性，首創(chuàng)了纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料防撞系統(tǒng)[8-11]，已應(yīng)用于潤揚(yáng)長江大橋等30余座大型橋梁，其具有比剛度大、比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性好、耐腐蝕、吸能性能良好等優(yōu)良性質(zhì)，但也存在彈性行程短、碰撞變形不可恢復(fù)、維修成本高等弊端[12-17]，難以做到橋墩、船舶和防撞系統(tǒng)的三不損，而早在1976年，英國曾開發(fā)出一種立式柔性膠囊沙袋防護(hù)系統(tǒng)[18]，用于抵御大噸位船舶撞擊，克服了傳統(tǒng)防護(hù)工程造價(jià)高、維修和施工困難的缺點(diǎn)，但該系統(tǒng)只適合水深不大、水流較緩、地質(zhì)條件良好的橋址區(qū)域. 借鑒該防護(hù)系統(tǒng)的材料組成和吸能原理，提出了一種散粒體填充纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體防撞系統(tǒng)，如圖1. 該防撞系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示；防撞系統(tǒng)包圍橋墩漂浮于水面，與橋墩無固定接觸，從而適應(yīng)水位變化，如圖1(b)所示.該結(jié)構(gòu)主要由軟體腔、腔內(nèi)散粒體及腔外保護(hù)罩三部分組成. 軟體腔為主體結(jié)構(gòu)，由纖維增強(qiáng)橡膠基復(fù)材薄壁軟體材料制成，為圓筒形.散粒體密實(shí)填充于軟體腔內(nèi)部，起主耗能作用.防護(hù)罩以分段式結(jié)構(gòu)包覆于軟體腔外部，對(duì)軟體腔起保護(hù)作用，如圖1(c)所示.

圖1 纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體防撞系統(tǒng)Fig.1 Fiber reinforced rubber composite anti-collision system

本文為研究散粒體填充纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)的撞擊吸能特性，進(jìn)行了裸墩、設(shè)有纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體防撞系統(tǒng)橋墩的水平撞擊試驗(yàn)，并與有限元模擬結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的正確性，進(jìn)而利用數(shù)值分析研究不同直徑纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體的防撞性能，為該結(jié)構(gòu)在橋梁防船撞領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考.

1 材性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)依據(jù)及方法

試驗(yàn)采用5 mm厚度的纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料，內(nèi)部組成為四層纖維布五層橡膠，纖維布和橡膠之間采用熱黏合. 拉伸性能試驗(yàn)參照國家標(biāo)準(zhǔn)《硫化橡膠和熱塑性橡膠拉伸性的測(cè)定》(GB/T 528—92)進(jìn)行，拉伸試件尺寸取115 mm×6 mm(狹小平行部分寬)×25 mm，兩個(gè)夾持端通過粘貼2 mm厚的加強(qiáng)片增大咬合力，拉伸試件數(shù)量為3個(gè)，試驗(yàn)加載速度設(shè)為2 mm/min.

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中纖維布先斷裂，發(fā)出“噼啪”聲，最后橡膠開始斷裂，見圖2. 從另一方面也說明了橡膠的延展性強(qiáng)，而纖維布的主要作用是提高拉伸強(qiáng)度. 纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線見圖3. 取三個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果的平均值可得5 mm厚纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料伸長率為4.93%，拉伸強(qiáng)度為106.45 MPa，彈性模量為493.73 MPa，其拉伸過程近似呈線彈性.

圖2 纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)Fig.2 Tensile test of fiber reinforced rubber composites

圖3 纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of fiber reinforced rubber composite

2 撞擊試驗(yàn)

2.1 試件設(shè)計(jì)

2.1.1 纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟體系統(tǒng)的尺寸及軟體層厚度根據(jù)實(shí)際尺寸按照1∶10的比例縮比，其直徑為300 mm，迎撞側(cè)寬度為800 mm. 纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料厚度為5 mm，內(nèi)部組成為四層纖維布五層橡膠，如圖4，纖維布和橡膠之間采用熱黏合，選用粒徑10 mm以下的陶粒作為內(nèi)部填充料，如圖5，軟體懸掛在橋墩前方以模擬軟體漂浮于水面的狀態(tài)，如圖6.

圖4 纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料Fig.4 Fiber reinforced rubber composite

圖5 纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)Fig.5 Fiber reinforced rubber composites soft body system

圖6 橋墩前方設(shè)置復(fù)合材料軟體系統(tǒng)Fig.6 Soft body system in front of bridge pier

2.1.2 船艏設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)船艏模型的原型為5 000DWT貨輪，模型采用與船舶同樣材性的鋼板按照實(shí)際尺寸的1∶10比例縮比制作，通過抗彎剛度等效簡化實(shí)際船舶內(nèi)加勁肋等結(jié)構(gòu)，確定船艏縮尺模型各層鋼板以及外殼鋼板厚度均為1.5 mm，鋼板之間采用氬弧焊連接，船艏模型質(zhì)量為34 kg，船艏與撞擊剛性小車之間通過焊接連接.

圖7 船艏模型Fig.7 Model of the ship bow

2.2 水平撞擊試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)備及采集系統(tǒng)

本試驗(yàn)在南京工業(yè)大學(xué)230 kJ落錘試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，水平撞擊試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括落錘、小車、導(dǎo)軌、反力墻等部分. 落錘試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為DTM2234-11，最大提升高度20 m，可提供最大230 000 J的沖擊能量. 通過滑輪將落錘的部分重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的動(dòng)能. 小車質(zhì)量為1 580 kg，小車和船頭總質(zhì)量為1 614 kg，撞擊處距基礎(chǔ)頂面600 mm，小車前端剛性撞擊頭尺寸為580 mm×200 mm×100 mm. 水平撞擊試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖8.

圖8 水平撞擊試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.8 Horizontal impact test system

試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)包括水平撞擊力和撞擊速度. 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括力傳感器、速度采集器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集箱等. 撞擊力基于力傳感器上應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換采集得到，力傳感器的精度等級(jí)為0.5級(jí)，其固有頻率為200 kHz，信號(hào)經(jīng)DH3840程控應(yīng)變放大器放大后輸入到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀. 速度采集的精度等級(jí)為0.5級(jí)，采用雙束激光測(cè)量. 撞擊過程通過高速攝像儀拍攝，型號(hào)為索尼NEX-FS700RH，每秒幀數(shù)400FPS.

2.2.2 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)船艏-小車撞擊體質(zhì)量為1.614 t，撞擊速度為2 m/s，橋墩為整體現(xiàn)澆橋墩，根據(jù)有無防撞設(shè)施設(shè)置裸墩(RC)、設(shè)有散粒體填充纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)墩(FRRC)兩種試驗(yàn)工況.

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖9給出了兩種工況的撞擊力-時(shí)程曲線. 當(dāng)速度為2 m/s時(shí)，裸墩承受的撞擊力最大值為92.15 kN，船艏接觸橋墩后上翹，船艏前端出現(xiàn)潰縮，如圖10.

圖9 兩種工況下的撞擊力-時(shí)程曲線(v=2 m/s)Fig.9 Impact force-time histories curves under two working conditions (v=2 m/s)

圖10 RC工況水平撞擊試驗(yàn)Fig.10 Horizontal impact test under RC

設(shè)有纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體防撞系統(tǒng)的橋墩承受的撞擊力最大值為68.90 kN，其撞擊力時(shí)程曲線出現(xiàn)了兩個(gè)峰值. 第一個(gè)峰值為68.90 kN，出現(xiàn)在0.067 s處，為船頭與纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體防撞系統(tǒng)碰撞時(shí)產(chǎn)生，經(jīng)過纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體潰縮及陶粒破碎摩擦壓縮后，船頭與墩身碰撞，于0.090 s出現(xiàn)第二個(gè)峰值，為65.10 kN. 纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體防撞系統(tǒng)對(duì)撞擊力最大值的削減率為25.23%. 纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)在受到撞擊后能很快恢復(fù)變形，表面沒有明顯破損，小車被反彈距離較遠(yuǎn)，如圖11(b)所示，該纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)能夠有效吸收撞擊產(chǎn)生的能量.

圖11 FRRC工況水平撞擊試驗(yàn)Fig.11 Horizontal impact test under FRRC

3 撞擊試驗(yàn)有限元模擬

3.1 有限元模型

采用ANSYS軟件建立水平撞擊試驗(yàn)有限元模型，船艏和復(fù)合材料軟體采用Shell163殼單元(4結(jié)點(diǎn)單元，具有6個(gè)自由度，包括x、y、z方向的位移自由度和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度). 船身、陶粒和橋墩取用Solid164三維實(shí)體單元(8個(gè)節(jié)點(diǎn)3維顯示單元，各節(jié)點(diǎn)有x、y、z方向的平移、速度和加速度3個(gè)自由度).

在動(dòng)力顯式分析軟件LS-DYNA中模擬分析，并基于后處理軟件LS-PREPOST對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理. 陶粒采用*MAT_CRUSHABLE_FOAM單元模擬，其密度為5 350 kg/m3，彈性模量為12 GPa，泊松比為0.25，并輸入陶粒的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，曲線由筒壓試驗(yàn)測(cè)得(圖12). 軟體層5 mm厚纖維增強(qiáng)橡膠采用*MAT_ELASTIC單元模擬，其密度為1 350 kg/m3，泊松比為0.32，彈性模量由拉伸試驗(yàn)測(cè)得為493.73 GPa；鋼船艏、鋼塊車身及橋墩采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC單元模擬，其中，鋼船艏材料的最大失效應(yīng)變?yōu)?.35[19].

圖12 陶粒壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.12 Stress-strain curve of ceramsite

橋墩在網(wǎng)格劃分時(shí)采用統(tǒng)一的30 mm的六面體網(wǎng)格尺寸. 船艏部分網(wǎng)格尺寸為30 mm，陶粒和軟體層網(wǎng)格尺寸為20 mm，由于其余部分遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域，為提高計(jì)算效率，船身和鋼塊網(wǎng)格尺寸為40 mm. 本模型包含兩個(gè)接觸對(duì),即軟體與橋墩間的相互接觸、撞擊體與軟體間的相互接觸，接觸參數(shù)見表1.

表1 接觸參數(shù)Tab.1 Contact parameters

3.2 有限元結(jié)果分析

有限元模擬所設(shè)工況和模型試驗(yàn)一致，主要對(duì)比有限元模擬和模型試驗(yàn)的撞擊力時(shí)程曲線和軟體變形形態(tài)，驗(yàn)證有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性.

如圖13所示，RC工況下，試驗(yàn)的撞擊力最大值為92.15 kN，有限元模擬的撞擊力最大值為105.91 kN，兩者相對(duì)誤差為14.93%；試驗(yàn)和有限元模擬的撞擊持續(xù)時(shí)間基本相同，分別為0.103 s和0.119 s，撞擊力時(shí)程曲線趨勢(shì)基本吻合. FRRC工況下，試驗(yàn)的撞擊力最大值為68.90 kN，有限元模擬的撞擊力最大值為78.51 kN，兩者相對(duì)誤差為13.95%. 試驗(yàn)和有限元模擬的撞擊持續(xù)時(shí)間基本相同，分別為0.150 s和0.152 s. 如圖14所示，構(gòu)件的變形形態(tài)也基本相同. 由表2可知，該纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)對(duì)船撞力的削減率在試驗(yàn)中為25.23%，在有限元模擬時(shí)為25.87%，二者誤差僅為2.5%. RC工況下，船艏潰縮吸能，吸能試驗(yàn)值為1 632.85 J，模擬值為1 801.53 J，相對(duì)誤差為10.33%，F(xiàn)RRC工況下，船艏潰縮量較小，吸能主要由軟體系統(tǒng)承擔(dān)，吸能試驗(yàn)值為3 038.51 J，模擬值為3 121.76 J，相對(duì)誤差為2.74%. 從上述結(jié)果可以看出，有限元模擬的撞擊力-時(shí)程曲線的趨勢(shì)與試驗(yàn)基本一致，兩個(gè)工況的試驗(yàn)值和有限元模擬值的誤差也都在20%以內(nèi)，船撞力削減率的試驗(yàn)值和模擬值相對(duì)誤差很小，從而驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性.

圖13 有限元模擬與模型試驗(yàn)撞擊力-時(shí)程曲線對(duì)比Fig.13 Comparison of impact force-time curves between FE analysis and impact test

圖14 有限元與試驗(yàn)構(gòu)件變形狀態(tài)對(duì)比Fig.14 Comparison between FE analysis and impact test

表2 撞擊試驗(yàn)值與有限元值結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of results between horizontal impact test and FE analysis

3.3 參數(shù)分析

在驗(yàn)證有限元模型可靠性后，分別對(duì)設(shè)有直徑為30 cm、40 cm、50 cm的纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體的橋墩建立有限元模型，進(jìn)一步對(duì)比不同直徑纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)的吸能效果，圖15為三種工況的撞擊力-時(shí)程曲線，以撞擊力出現(xiàn)點(diǎn)為起始點(diǎn)，曲線下降段出現(xiàn)拐點(diǎn)為終止點(diǎn)，三種工況的撞擊持續(xù)時(shí)間分別為0.103 s、0.112 s、0.129 s，即隨著軟體直徑的增大，撞擊持續(xù)時(shí)間也會(huì)增大，相應(yīng)地撞擊力峰值降低，對(duì)水平撞擊力峰值的削減率分別為25.87%、42.08%、58.77%.無軟體工況下，船艏潰縮能量吸收率為55.81%，設(shè)置軟體后能量吸收率提高顯著且船艏無明顯潰縮.筒徑30 cm軟體工況下，能量吸收率達(dá)96.71%，筒徑40 cm和筒徑50 cm軟體工況下能量吸收率可達(dá)100%. 綜上可知，纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體的直徑對(duì)其撞擊吸能特性有著顯著影響，撞擊力削減率與軟體直徑基本呈線性關(guān)系，直徑每增大10 cm，船撞力削減率增大約16%. 軟體吸能效果顯著，同時(shí)對(duì)船艏起到了很好的保護(hù)作用.

圖15 三種工況下撞擊力—時(shí)程曲線對(duì)比Fig.15 Comparison of impact force-time curves under three working conditions

表3 參數(shù)分析結(jié)果Tab.3 Parameter analysis results

4 結(jié)論

針對(duì)纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)進(jìn)行的水平撞擊試驗(yàn)，對(duì)比驗(yàn)證了有限元模型，并利用該模型進(jìn)行了參數(shù)分析，得出以下結(jié)論：

(1)模擬結(jié)果中荷載-時(shí)程曲線的趨勢(shì)與試驗(yàn)基本一致，軟體受撞擊后變形形態(tài)也與試驗(yàn)一致，水平撞擊模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的誤差在20%以內(nèi)，尤其在撞擊力削減率上，試驗(yàn)值為25.23%，模擬值為25.87%，誤差僅為2.5%，從而驗(yàn)證了有限元模型的有效性與準(zhǔn)確性；

(2)根據(jù)撞擊試驗(yàn)結(jié)果，該軟體系統(tǒng)受撞后產(chǎn)生明顯變形，撞擊處耗能填充料呈現(xiàn)破碎狀，但軟體受撞后能迅速回彈，且表面無明顯破壞，相比于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料受撞后表面易破壞且變形不可恢復(fù)的弊端，纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)；

(3)根據(jù)參數(shù)分析結(jié)果，三種工況的撞擊力峰值分別為78.15 kN、61.34 kN、43.67 kN，撞擊力峰值削減幅度分別達(dá)到25.87%、42.08%、58.77%，該纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)能夠耗散大部分能量，撞擊吸能效果顯著，對(duì)船艏起到很好的保護(hù)作用，軟體直徑對(duì)其撞擊吸能性能有較大的影響.

為進(jìn)一步研究纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)的撞擊吸能特性，還需考慮撞擊次數(shù)、耗能填充料、纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料軟體面層等因素的影響.