船桥碰撞撞击力影响因素分析.docx

该【船桥碰撞撞击力影响因素分析 】是由【科技星球】上传分享，beplayapp体育下载一共【17】页，该beplayapp体育下载可以免费在线阅读，需要了解更多关于【船桥碰撞撞击力影响因素分析 】的内容，可以使用beplayapp体育下载的站内搜索功能，选择自己适合的beplayapp体育下载，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此beplayapp体育下载到您的设备，方便您编辑和打印。船桥碰撞撞击力影响因素分析??喻钊花泽春(;)桥墩是确保桥梁整体性和安全运营的重要结构,为了避免船桥碰撞事故产生灾难性后果,针对桥梁进行防船撞研究具有重要的现实意义[1-2]。高动量的船舶撞击桥墩时会产生巨大的撞击力,撞击力的得出是进行桥梁防撞设计的关键。影响撞击力的因素众多,比如,船舶结构、形状和刚性,船舶质量、附连水影响、船舶碰撞时的速度、桥墩的几何形状等等。在这些影响因素中,最常见的就是船舶撞击速度和船舶撞击质量的影响,各国规范也将这2个因素作为主要的影响因子计入撞击力公式。本文拟基于数值模拟方法,模拟1000t散装货船以4m/s正撞桥墩的各种工况,讨论船舶撞击速度、撞击质量、撞击角度,以及船艏刚度对于撞击力的影响,并与规范进行比较,为今后桥墩防船撞设计相关规范制订提供参考。1撞击力计算公式各国的研究者以及各国在制订桥梁设计规范时提出了撞击力计算公式,这些公式有的是基于能量交换原理及冲量原理得出,有的是在试验基础上统计得出,有的则是在大量的数值仿真基础上得出。以下介绍几个常用的经验公式和规范公式。=(V·Dmax)2/3(1)式中:P为撞击力,MN;V为船舶速度,m/s;Dmax为船舶的满载排水量,t。-Knott-Greiner公式Pmax=(DWT)1/2(V/8)2/3(Dact/Dmax)1/3(2)式中:Pmax为最大撞击力,MN;DWT为船舶载重量,t;V为撞击时船舶速度,m/s;Dact为撞击时的排水量,t;Dmax为船舶满载排水量,t。=×105V(DWT)1/2(3)式中:P为撞击力,N;V为船舶撞击速度,m/s,;DWT为船舶载重量,t。=WV/(gT)(4)式中:P为漂流物撞击力,kN;W为漂流物重量,kN;V为水流速度,m/s;T为撞击时间,s;g为重力加速度,。=γVsinα[W/(C1+C2)](5)式中:F为撞击力,kN;γ为动能折成系数,,;V为船舶撞击速度,m/s;α为船舶运动方向与桥墩撞击点处切线的夹角,无法确定时取20°;W为船只或者排筏重量,kN;C1、C2为船舶、桥墩的弹性变形系数,。2有限元模型船舶研究对象选择常见的有球鼻艏的散装货船,船载质量(载重量)1000t,,,,船舶钢板厚度10mm。船舶分为前部球鼻艏、中部甲板和后部船舱。船艏内部结构复杂,船艏结构内侧有很多加劲板件,为简化模型,将加劲板件等效到甲板层厚度中。由于本文的研究重点主要集中在撞击力上,且桥梁上部结构的存在与否对撞击力基本无影响,同时为了简化分析问题,因此,有限元模型中只考虑桥墩结构,同时忽略桥梁上部结构,忽略桩土作用,桥墩底部采用固结处理[3]。球鼻艏采用SHELL163单元,网格尺寸10cm。船舶甲板采用SHELL163,单元网格尺寸50cm。船舱采用SOLID164单元,网格尺寸100cm,桥墩采用SOLID164单元,网格尺寸50cm。船桥碰撞有限元整体模型见图1。图1船桥碰撞有限元整体模型为模拟各结构之间的碰撞,需要在可能发生接触的结构之间定义接触。在碰撞过程中,船舶会发生较大变形,为了防止自身结构的穿透,针对船艏设置单面自动接触,船艏与桥墩设置为面面自动接触。在碰撞过程中,接触的界面上存在相对滑动,需要考虑摩擦力的作用,,。、船舶甲板采用钢材。钢结构材料定义为双线性弹塑性材料,材料达到屈服后应力按线性硬化,双线性弹塑性材料本构模型见图2。图2双线性弹塑性材料本构模型船桥碰撞是在短历时尺度上发生载荷显著变化的过程,碰撞过程必定伴随着高应变率[4-5]。低碳钢的塑性性能对于应变率是高度敏感的,因此,在碰撞中必须考虑应变率的影响,通常采用Cowper-Symonds本构方程。(6)(7)本文采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型,该模型是各向同性、随动硬化或各向同性和随动硬化的混合模型,与应变率有关,可考虑失效,,本计算中取钢材的密度7830kg/m3,弹性模量200GPa,,屈服强度235MPa,切线模量1180MPa。[6-7]。因此,本文桥墩混凝土材料采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE模拟,即HJC材料模型。本文计算中HJC模型采用的具体参数见表1。,无论刚体上的单元和节点有多少,计算出刚体质心的运动量后就可以得到刚体上各点的运动情况,程序对刚体的计算效率很高,通常可以把变形量很小的物体视为刚体。船体后部船舱的变形可以忽略不计,因此,为了节省计算资源,提高计算效率,船体后部船舱采用刚体材料模拟。调整刚体材料密度为185kg/m3,模拟货船载重质量(载重量)为1000t,材料弹性模量200GPa,。,控制其他条件不变,仅改变船舶撞击速度分别为2,3,4,5,6m/s。有限元模型中,船舶和桥墩之间有一定的初始距离,因此,船舶的撞击速度越大,船舶越早接触桥墩,撞击力也越早响应,这一点与图中曲线相符,不同船舶撞击速度条件下撞击力时程曲线见图3。图3不同撞击速度撞击力时程曲线由图3可知,随着船舶撞击速度的增加,撞击力作用时间增加,撞击力峰值增加。船舶撞击速度分别为2,3,4,5,6m/s时,,,,,。另一方面,图3时程曲线表现出明显的非线性,撞击速度越大,非线性越显著。碰撞初期,船舶接触桥墩,撞击力均迅速增加,随后,船艏结构发生弹塑性变形,撞击力继续增加。船舶撞击速度不超过4m/s时,时程曲线基本呈单峰状,船舶撞击速度为5m/s时,时程曲线呈双峰状,船舶撞击速度为6m/s时,时程曲线呈多峰状。时程曲线的非线性表征了船舶结构的损伤和破坏失效,船舶撞击速度越大,非线性越明显,说明了船舶损伤越严重。不同撞击速度条件下,船艏结构的变形对比见图4。图4不同撞击速度船艏结构变形对比图由图4可知,在低速撞击时,船艏上甲板与球艏发生压溃变形,随着撞击速度的增加,压溃深度和压溃面积加大,甚至出现了球艏破坏失效的情况,与图3撞击力时程曲线分析结果吻合。撞击力峰值与船舶撞击速度之间的关系见图5。图5船舶撞击速度与撞击力峰值关系图由图5可知,撞击力峰值与船舶撞击速度基本上呈分段线性关系,分2个阶段,第一阶段,撞击速度不超过4m/s时,撞击力随撞击速度的增加较快,第二阶段,撞击速度超过4m/s后,撞击力增长速率趋缓。换句话说,在船舶低速撞击时,撞击力对速度比较敏感,在船舶以较高速度撞击桥墩时,撞击力对撞击速度的敏感性降低,而由公式(1)~(5)可知,我国公路规范、铁路规范,以及美国AASHTO规范并没有考虑这一点,而是将撞击速度的影响作为单线性考虑。在1000t散装货船撞击桥墩条件下,由MATLAB拟合撞击力峰值和撞击速度之间的关系为(8)不同撞击速度条件下撞击力仿真计算值与中国公路规范、中国铁路规范、AASHTO规范及修正Woision公式撞击力的对比结果见图6。图6仿真计算值与规范值对比由图6可知,相同参数条件下,采用不同的规范公式得到的撞击力差异较大。各规范得到的撞击力与有限元计算值也有差异,主要原因是有限元仿真值为撞击力时程曲线的峰值,而各规范计算得到的撞击力为等效静力荷载,两者并不能完全等同,相对于有限元仿真值,采用中国公路规范、中国铁路规范,以及修正Woision公式计算得到撞击力均偏小,中国铁路规范与修正Woision公式