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桥墩安全防护设施碰撞模拟研究

文档作者：李勇杨曼娟文档来源：交通运输部公路科学研究院		点击数：	更新时间： 2021年06月03日
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第23卷第6期
2010年11月
机电产品开簋与剀新
Development＆Innovation of Machinery＆Electrical Products
V01．23．No．6
Nov．，201 0
文章编号：1002-6673(2010)06-088-03
桥墩安全防护设施碰撞模拟研究
李勇．杨曼娟
(交通运输部公路科学研究院。北京100088)
摘要：总结了船桥碰撞分析的有限元计算基本理论框架．运用非线性有限元技术建立了船舶与桥墩的有限
元碰撞模型。利用流固耦合的方法，分别分析了有无防护设施的桥墩在船舶碰撞时的能量转化、碰
撞力时程变化，并对比了有无防护设施的桥墩受力情况。实现了船与桥墩、船与桥墩防护设施碰撞
过程的数值模拟。
关键词：船与桥墩相撞；桥墩防护设施；有限元分析
中图分类号：U417；骶)29 文献标识码：A doi：10．3969／j．issn．1002—6673．2010．06．034
Collision Simulation Study of Bridge Pier Security Facilities
LI Yong，YANG Man-．hum
(Research Imtitute of Highway Ministry of Tramporc，Beijing 100088，China)
Abstract：The FEA basic theorefical丘amework of ship collision谢dl bridge pier WaS summarized in this paper．The ship and the bridge pier
finite dement model were established by the use of nonlinear finite element techniques．By using fluid—structure interaction method，the energy
convenion process and the collision force of bridge pier谢tll protective equipment and non—protective equipment were analyzed,and
the s1R％鼯of both situatiom were compared．NumericM simulation of the ship and bridge pier．ship and the bridge pier protection facilities
collision were realized in this paper．
Key words：collision of sMp and bridge pier；bridge pier security facilities；FEA
0引言
船桥碰撞是一个十分复杂的碰撞动力学问题。涉及
了多个学科。由于实际航道上的航行船舶类型及尺度离
散性大，桥墩型式也各有不同，船舶撞击桥墩的方位和
形式也是随机和多样的。计算结果与实际常有较大的差
距。因此进行更细致的船桥碰撞动力学理论分析及计
算，对于碰撞力的确定和防护设施效能的提高都是十分
必要的。
到目前为止。船桥碰撞的计算理论已由早期的Mi．
norsky碰撞理论发展到了有限元仿真方法。有限元仿真
方法为船桥碰撞力学问题的研究提供了新的技术手段。。
并很大程度上拓展了研究者的思路。逐渐成为目前碰撞
分析最有效的方法之一。
收稿日期：2010—10—20
基金项目：交通运输部公路科学研究院青年基金支持(2008-9026)
作者简介：李勇(1978-)，男，高级工程师；杨曼娟(1982-)，
女．工程师。
88
1非线性有限元动态数值仿真
船和桥墩及桥墩防护设施的碰撞是一动态的大位移
和大变形的过程。接触和冲击载荷都影响着碰撞的全过
程。系统具有几何非线性和材料非线性等多重非线性。
本文的有限元计算分析所采用的软件LS—DYNA是显式
非线性动力分析通用有限元程序。
1．1非线性有限元控制方程
船桥碰撞问题的运动方程可以表示为：
【M】{d}+【C】{d}+【K】{d}={I卜' (1)
式中：【M卜。质量矩阵；{d卜一阻尼矩阵；【C】一刚度矩
阵；{d J一加速度向量；{d}一速度向量．【K】一位移向量；
{聃一为包括碰撞力在内的外力向量。若令(pl=【C】(d l+
【Kl{d1，并设IP}={F曩卜{p}，则式(1)也可以写成：
【M】Idl={P} (2)
如果采用集中质量。即质量矩阵M变成对角矩阵，
那么各个自由度的方程将是相互独立的．即
万方数据
·制造业信息化·
【Md{d；}={r} (3)
1．2显式求解方法
采用显式方法求解碰撞运动方程，首先由方程式(3)
直接求出：
Id tJ-【Mirl(Fi} (4)
然后对时间积分获得速度，再积分一次获得位移。
这里采用中心差分的显示格式来进行时间积分。中心差
分的显式格式为：
k一：{d n．-i／2)+{Jl坠卑掣
．
‘
⋯
1{dn+l}={d。)+{d n+l／2}△t。。，2 (5)
I^+ 一(At．+At。+1)
I“叶1圹2
应用显式中心差分法求解碰撞问题时．特别值得注
意的是时间步长的选取．实行中以最小有限单元网格的
特征长度除以应力波速来定义最小时间步长．即：
△ts△k=lllin(I肌) (6)
1．3碰撞中的接触算法
相撞结构之间的相互作用通过接触算法来完成。在
可能发生接触作用的结构之间定义接触面．接触面能有
效地模拟相撞结构之间的相互作用．并允许结构之间连
续不断的接触和滑动。本项目使用的是主从面接触算
法，在求解的每一时间步，检查从属节点的位置坐标，
看它是否已经穿透主面。如果还没有穿透。则计算工作
不受影响的继续进行；如果已经穿透，则在垂直于主面
的方向上施加一作用力．以阻止从属节点的进一步穿
透，这个作用力就是接触力。接触力的大小取决于穿透
量和接触面两侧的单元特性。
1．4流固耦合技术
船桥碰撞与陆上结构碰撞相比较为特殊的是船舶周
围的介质——水对碰撞运动的影响不可忽略。在有限元
仿真计算中对流体作用力的处理方法。通常有附加质量
法和流固耦合法。附加质量主要用以反映船体和流体之
间的相互作用，它的大小取决于相撞船舶的型线特征、
碰撞历程等，精确的计算是相当复杂和困难的。这是目
前进行船舶碰撞有限元分析最常用的方法。流固耦合法
是将相撞船舶周围的水划分成一定数量的欧拉有限元．
用有限体积法进行计算。并采用流体——结构耦合算法
同步计算结构变形和舷外流场的改变及其动力作用。因
而它能给出最佳的物理近似和最接近真实的碰撞计算结
果。这是目前最准确的仿真方法。
2计算模型
通过对重庆主城区主要通航桥梁的调查．我们选择
了如下的船舶和桥梁作为本文研究的模型原形。
通过对已应用的多种桥墩防护设施进行分析，选择
圈l本文船舶和桥墩原形
ng．1 The prototypes of ship and bridge pier
常用的混凝土套箱式结构作为本文的研究对象。该结构
安装在承台周围。在承台与桥墩之间安装大量的橡胶
件，受到船舶撞击时。主要靠船艏的塑性变形和橡胶件
的弹性变形吸收能量。建立的船舶、桥墩和有防护设施
的桥墩模型如图2所示。
图2船舶、桥墩、有防护设施的桥墩模型
Fig．2 Models of ship．bridge pier,bridge pier诵th protective
facilities
3计算结果分析对比
3．1船舶与无防护设施的桥墩碰撞分析
图3左边为船舶碰撞过程中三个方向的碰撞力时序
曲线。从图中可以看出，碰撞力曲线具有很强的非线性
特征。在碰撞过程的不同阶段，船体结构出现了不同程
度的卸载现象。值得指出的是。碰撞力的每一次卸载都
代表了某种构件的失效或破坏。本算例中碰撞力的下降
主要是由船鼻和甲板的动态屈曲造成的。
图3船舶与无防撞设施的桥墩碰擅过程中碰撞力分析和能量
转化过程
Fig．3 Analysis of impact force and the energy conversion
process during the collision of ship and bridge pier without
protection facilities
图3右边反映了碰撞过程中撞击船的动能损失和能
量转换情况。从理论上讲，撞击船的动能损失主要由结
构的塑性大变形、桥墩的破坏变形以及周围流体介质的
强迫运动所吸收。但从图中可以明显看出，在高速碰撞
万方数据
·制造业信息化·
条件下撞击船所损失的动能基本上转化为船舶结构的塑
性变形能，被撞船钢体运动所消耗的能量很少。
3．2船舶与有防护设施的桥墩碰撞分析
图4左边为船舶碰撞有防护设施的桥墩过程中三个
方向的碰撞力时程曲线。从图中可以看出，碰撞力曲线
同样具有很强的非线性特征。与没有防撞设施的时候大
致相同，在碰撞过程的不同阶段。船体结构出现了不同
程度的卸载现象。
图4船舶与有防撞设施的桥墩碰撞过程中碰撞力分析和能量
转化过程
rig．4 Analysis of impact force and the energy conversion
process during the collision of ship and bridge pier with
protection facilities
图4右边反映了碰撞过程中撞击船的动能损失和能
量转换情况。从图中可以明显看出。在高速碰撞条件下
撞击船所损失的动能基本上转化为船舶结构的塑性变形
能和桥墩防撞设施的破坏而吸收的能量．被撞船钢体运
动所消耗的能量很少。
3．3有无防护设施的桥墩对比分析
桥墩的防护设施主要功能就是在船舶发生与之碰撞
的时候，利用吸能材料破坏来吸收船舶的动能。从而减
少对桥墩的冲击，达到保护桥墩的作用。图5为有防撞
设施和无防撞设施在船舶撞击下的应力比较。
图5有无防撞设施的桥墩应力曲线对比
Fig s Stress CHIVe comparisons of protection facilities and
non-protection facilities
从上面两种情况的应力曲线来看。加装了防撞设施
的桥墩在相同的碰撞条件下。其所受到的平均应力值减
少了30％，其碰撞能量由防撞设施吸收了大部分，有效
的减少了对桥墩本身的伤害。减轻了桥墩所受到的冲击
能量。
4总结
(1)本文利用Ls—dyna采用了显式瞬态非线性有限
元分析技术对船舶碰撞过程进行成功的数值仿真分析。
且由于同步处理船体运动和流体动力问题，流固耦合方
法的仿真计算结果具有最高的精度。但应该看到，流固
耦合分析计算所占的CPU时间非常长，本文利用8节
点HPC机群进行计算。计算时间超过150小时。
(2)碰撞损伤变形具有明显的局部性，基本上集中
在船鼻和船头。损伤变形主要表现为塑性变形。
(3)通过船舶与有无防护设施桥墩的碰撞计算分
析。获得了两种碰撞过程中的碰撞力时序曲线、能量转
化过程以及桥墩应力等计算结果。
(4)本文通过粗略分析得知，与无防撞设施的桥墩
相比．加装了防撞设施的桥墩在相同的碰撞条件下，其
所受到的平均应力值减少了30n／o．其碰撞能量由防撞设
施吸收了大部分，有效的减少了对桥墩本身的伤害，减
轻了桥墩所受到的冲击能量。
参考文献：
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w,ode 1．Pan 2．7．Ship Collision Analysis．1998．
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【4】中华人民共和国铁道都．铁路桥涵设计基本规范【S】．2000．
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【6】孙振．桥梁防船撞设施的比较研究[D】．同济大学硕士学位论文，2007．
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硕士学位论文．2004．
【8】陈诚．桥梁设计船撞力及损伤状态仿真研究【D】．同济大学硕士学
位论文．2006．
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2010年1月
万方数据

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