運河新型橋墩防撞裝置有限元數(shù)值模擬研究

焦雙健++常冬瀟

摘 要：本文對運河船橋碰撞現(xiàn)狀及相關(guān)研究進行了簡要的分析和總結(jié)，設(shè)計了新型雙壁鋼自旋浮筒橋墩防撞裝置，利用雙壁鋼圍堰將船舶與橋墩直接隔離，自旋浮筒撥轉(zhuǎn)船行方向，二者共同減小碰撞對船、橋及防撞設(shè)施三者的危害；運用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA建立了船體與防撞裝置的碰撞模型，分析碰撞過程中碰撞力、能量交換和應(yīng)力變形等數(shù)據(jù)的特點和規(guī)律，研究雙壁鋼自旋浮筒防撞設(shè)施的工作效能，并對防撞裝置的完善給出了建議。

關(guān)鍵詞：運河橋梁 船橋碰撞 防撞裝置 數(shù)值模擬

如今船橋碰撞事故發(fā)生的頻率越來越高，造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡越來越大，而國內(nèi)外對防撞裝置的研究主要針對海域大型橋梁，防撞形式多種多樣，但運河中小型橋梁的橋墩防撞形式多為結(jié)構(gòu)簡單的浮式防撞墩，因此本文對運河橋梁的橋墩防撞裝置進行設(shè)計研究。

雙壁鋼自旋浮筒防撞裝置的設(shè)計方案

雙壁鋼自旋浮筒防撞裝置的基本設(shè)想是采用雙壁鋼圍堰全角度封閉的形式，確保運河老舊橋墩周身不存在防撞遺漏點，并起到與河面漂浮物隔離的作用。其次考慮到運河航道相對較窄，單純靠防撞裝置的后退緩沖及變形吸能對裝置空間需求較大，所以利用外圍密布的獨立自旋浮筒在碰撞瞬間撥轉(zhuǎn)船頭，改變船行方向，結(jié)合結(jié)構(gòu)變形吸能，確保橋墩的安全。

由于雙壁鋼圍堰兩側(cè)的碰撞角度較小，碰撞對安全的影響較小，因此只在碰撞時損毀最嚴(yán)重的兩端布置自旋浮筒，對稱簡化如圖1-圖3。

雙壁鋼圍堰內(nèi)設(shè)w形豎向鋼折板，起支撐雙壁鋼及緩沖碰撞的作用，下部開有連通口，保證圍堰內(nèi)外水面平齊。自旋浮筒外圍環(huán)繞橡膠柔性材料層，既為碰撞接觸面產(chǎn)生相對較大的摩擦力帶動浮筒自旋，也對碰撞起到微小緩沖作用，浮筒內(nèi)設(shè)橫隔板，將內(nèi)部劃分為若干獨立氣室，保證碰撞損壞時依然能有完整氣室提供浮力，橫隔板也起到支撐筒壁及緩沖碰撞的作用。

碰撞的數(shù)值模擬計算

國內(nèi)外已經(jīng)有研究證明在建立正確的模型和計算控制的基礎(chǔ)上，ANSYS/LS-DYNA的分析結(jié)果與實際情況吻合良好，計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

碰撞工況取兩種。工況一取最不利情況：完全正撞。這種工況下，浮筒不自旋，只能與雙壁鋼圍堰一起通過自身變形吸能。工況二取一般情況：11.3°夾角斜撞。此工況下，浮筒發(fā)揮自旋作用，瞬間改變船行方向，同時與雙壁鋼圍堰共同變形吸能。

1、模型的建立

以V型船艏載重噸位1000DWT的船舶作為計算船型，重點研究低速碰撞中防撞裝置的變形吸能及其對橋墩的保護作用，對于船舶重點關(guān)注的是動能變化，因此對撞擊船的計算模型作大規(guī)模的簡化，模型網(wǎng)格劃分如圖4。

雙壁鋼和自旋浮筒模型的網(wǎng)格劃分如圖5-圖6。

2、正撞工況模擬結(jié)果及分析

2.1船與防撞裝置正撞模型

正撞工況下碰撞模型的簡化如圖7。

2.2碰撞力時程分析

圖8和圖9為自旋浮筒與雙壁鋼圍堰間受到的碰撞力時程圖。兩圖中的X軸、Y軸、Z軸碰撞力以及合力曲線都表現(xiàn)出極強的非線性特征。船舶與浮筒間的撞擊力在t=0.42s時達到最大值9.8MN，碰撞接觸時間從t=0.1s持續(xù)到t=0.66s，相比于船撞裸橋墩，防撞裝置降低了碰撞力峰值，延長了碰撞時間，使碰撞得到了緩沖。

2.3速度及碰撞能量時程分析

圖10為船舶的速度時程曲線，可以看出在t=0.53s時船體從初始速度3m/s降至零，然后受到防撞裝置給的反力獲得微小的反向速度0.4m/s，逐漸離開防撞裝置。

圖11為撞擊過程中船舶動能時間歷程曲線，可以看到船舶的動能在t=0.12s到t=0.53s之間迅速由4.5MJ減小至零，在船舶獲得反向速度后，動能由零變?yōu)?.1MJ。

圖12為防撞裝置的變形內(nèi)能時程圖，可以看到碰撞后，防撞設(shè)施變形吸能3.8MJ。

圖13為系統(tǒng)沙漏能時程圖。沙漏能須小于總能量的5%時才認為計算結(jié)果是可靠的。圖中可看出沙漏能達到0.11MJ，未超過總能量4.5MJ的5%。

通過以上分析可知，碰撞過程中，初始動能最終轉(zhuǎn)化為船舶剩余動能0.1MJ、防撞裝置變形內(nèi)能3.8MJ、沙漏能0.11MJ及小部分的滑動能和摩擦熱能等。

2.4結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形

圖14為防撞裝置在t=0.13s，0. 5s，0.8s，1.4s時的應(yīng)力和變形圖。在t=0.5s時達到最大應(yīng)力533MPa，大于鋼材的屈服強度（235 MPa），碰撞區(qū)發(fā)生塑性變形。

圖15為碰撞區(qū)最大位移云圖。在0.53s 時出現(xiàn)最大位移0.759m，雙壁鋼圍堰整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯位移。

3、斜撞工況模擬結(jié)果及分析

3.1船與防撞裝置斜撞模型

斜撞的結(jié)構(gòu)模型與正撞相似，只改動碰撞角度，模型如圖16。

3.2碰撞力時程分析

圖17是自旋浮筒受到的撞擊力時間歷程曲線，峰值為8.1MN。圖18是雙壁鋼圍堰受到的碰撞力時程曲線，峰值為1.1MN。

3.3速度及碰撞能量時程分析

圖19為船舶的速度時程曲線。可以看出船舶速度在0.2s內(nèi)迅速減少到1.8m/s，表示碰撞瞬間防撞裝置并未完全依靠變形迫使船舶降速，而是通過自旋浮筒的轉(zhuǎn)動撥轉(zhuǎn)了船艏的運動方向，減小了體系的傷害。

圖20為船舶動能時間歷程曲線，可以看出在t=0.25s時船舶動能由4.5MJ減至2.6MJ。

圖21為防撞裝置變形內(nèi)能時程圖?？梢钥闯雠鲎策^程中防撞裝置變形吸收了1.6MJ的能量，比正撞工況減少了2.2MJ，損毀相對較小。

圖22為系統(tǒng)沙漏能時程圖，0.22MJ未超過總能量4.5MJ的5%。

綜上，在碰撞中，4.5MJ能量逐漸重新分配，轉(zhuǎn)化為船舶剩余動能2.6MJ、防撞設(shè)施變形內(nèi)能1.6MJ、沙漏能0.22MJ及小部分的滑動能和摩擦熱能等。endprint

3.4結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形

圖23為防撞裝置在t=0.05s， 0.2s， 0.6s，1.4s的應(yīng)力和變形圖。可以看出，最大應(yīng)力達到了500MPa，依然出現(xiàn)塑性變形。

圖24為防撞裝置的最大變形位移圖。碰撞區(qū)最大撞深在t=1.5s時達到0.85 m。

4、數(shù)值模擬結(jié)論總結(jié)

選取正撞與斜撞兩個工況，利用ANSYS/LS-DYNA對雙壁鋼自旋浮筒橋墩防撞裝置進行了數(shù)值模擬計算，從多個方面對本文防撞裝置的防撞功效進行了分析，總結(jié)如下：①相比于船撞裸橋墩，防撞裝置在兩種工況下適當(dāng)?shù)臏p小了碰撞力峰值，延長了碰撞時間，緩沖了碰撞，對橋墩進行了有效的保護。②兩種工況下，能量的轉(zhuǎn)化率有所區(qū)別：正撞時，外圍自旋浮筒不能發(fā)揮自旋作用，故防撞裝置的變形損壞較明顯，動能轉(zhuǎn)化為變形能的比率較高；斜撞時，外圍自旋浮筒發(fā)揮作用，碰撞瞬間撥轉(zhuǎn)船艏的運動方向，船舶保持大部分動能，防撞裝置變形相對減小，保證了整個體系的安全。

結(jié)語

目前針對運河中小型老舊橋梁橋墩防撞裝置的專門研究較少，研究過程中可供參考的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗并不多。本文通過ANSYS/LS-DYNA對雙壁鋼自旋浮筒防撞裝置的碰撞模擬分析可知，該保護方式思路正確，作用良好。隨著今后研究的進一步深化，希望能夠出現(xiàn)更多形式的防護裝置，實現(xiàn)更理想的防撞目標(biāo)。

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（作者單位：中國海洋大學(xué)）endprint