基于ansysls-dyna软件的薄壁墩碰撞仿真分析

基于ansysls-dyna软件的薄壁墩碰撞仿真分析

一、某高校某互通立交桥型随着道路交通的快速发展，连接河流和河流的桥梁越来越多。许多桥梁位于重要航道上,常有可能被航行的船只撞击,对大桥的安全和设计寿命产生影响,留下灾难性事故隐患。在大跨桥梁中,采用薄壁墩的连续刚构桥是十分常见的桥型,薄壁墩属柔性构件,研究其在船桥碰撞中的响应及损伤具有十分重要的意义,本文以某汉江大桥为例,基于ANSYS/LS-DYNA软件进行分析。该桥为61+110+110+61m连续刚构桥,通航船舶等级为500t级驳船。该桥桥墩为双薄壁墩,薄壁厚度仅为1.2m,其中2#墩高29m,位于主航道中央,很有可能被船只撞击。1.显式中心差分法船桥碰撞时,在很短的时间内接触碰撞区附近的船艏构件发生塑性变形、屈曲、褶皱、崩溃和撕裂。桥墩在碰撞接触区产生高应力并发生整体位移和由此引起的总体变形应力。在碰撞过程中,除了船体、桥梁以外,船身周围的流体亦参与了能量交换与吸收。目前解决船桥碰撞问题的方法有经典的Minorsky方法、汉斯—德鲁彻理论、简化解析方法、简化内部机理的数值解法、试验方法和有限元方法等。其中有限元法可反映的碰撞物理现象最为完备,得到的计算结果也最为准确。在有限元方法中,碰撞问题的运动方程可以一般地表示为:式中:[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;{a}为加速度向量;{v}为速度向量;{d}为位移向量;{Fx}为包碰撞力在内的外力向量。经有限元离散处理后形成的瞬态动力学问题,适宜采用显式直接时域解法。该方法不需要进行矩阵分解或求逆,无须求解联立方程组,计算速度快,通过自动控制计算时间的步长,可以得到稳定解并保证时间积分的精度。应用显式中心差分法求解碰撞问题时,一个特别值得注意的问题就是时间步长的选取,因为中心差分法是条件稳定的,其时间步长不能超过临界时间步长。实用中常以最小有限单元网格的特征长度除以应力波速来近似临界时间步长,即:二、船舶桥梁碰撞金元模型1.接触和滑动的单元特性相接结构(或构件)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。本文使用的是主从面接触算法,在求解的每一时间步长,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地继续进行;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二侧的单元特性。在ANSYS/LS-DYNA中,接触类型可分为三类,即单面接触、节点-表面接触、表面-表面接触。本文采用自动单面接触(ASSC)和自动面-面接触(ASTS),静、动摩擦系数均采用0.1。2.材料本构模型为了建立式(1)中的刚度矩阵[K],需要建立合适的结构材料本构关系。船桥碰撞是一个非线性动塑性问题,各种材料的本构关系复杂,以下分别加以介绍。(1)混凝土材料模型考虑到桥墩在碰撞过程中存在硬化效应,故选用弹塑性混凝土硬化断裂本构关系。目前有多种塑性硬化断裂本构模型,不同的模型在屈服条件、流动法则、硬化法则等方面的假设均有所不同。由正交原理可知,相关流动法则的Drucker-Prager模型可以反映有相当量的体积膨胀。试验表明混凝土材料的膨胀效应发生在材料接近破坏时,在表达本构关系时,可以在静水压下加一个帽盖来反映材料的这种非弹性体积反应。这个帽盖独立于屈服面,用来控制体积膨胀和收缩。本文中采用了Colorado混凝土帽盖材料模型,该模型是一个塑性模型,通过一个由失效包络面、硬化端帽盖面和拉力切断极限面组成的失效面表达。混凝土的破坏准则是判断混凝土是否破坏的依据。在复杂应力状态下,如何建立结构材料强度破坏条件的问题已经过了长期的研究。但是混凝土在复杂受力状态下的强度是一个比较复杂的问题,目前仍未建立起比较完善的能解释不同破坏物理现象的混凝土强度理论,所以常须依赖强度试验结果。混凝土在复杂应力状态下的强度要考虑不同应力分量之间的相互影响,一般也可用混凝土的应力状态σij的函数来表示,即式中:k1,k2,…,kn为反映材料性质的参数,由材料强度试验结果确定。包含有n个参数的破坏准则称为n参数破坏准则。本文中选用了比较简单的一参数混凝土强度准则模型,即最大拉伸应力理论的破坏准则。按照混凝土结构设计规范,C40混凝土的抗拉强度标准值取为(2)钢筋材料模型一般情况下,认为钢筋受拉与受压的本构关系是相同的。钢筋混凝土结构非线性分析中,钢筋材料的本构关系可以是双直线型,也可以是曲线型。本文采用双直线型,有关参数为:材料密度ρ=7.85x103kg/m3,弹性模量E=2.0×1011N/m2,切线模量Etan=1.18×109N/m2,屈服应力σy=3.15×108N/m2,泊松比v=0.3。(3)船用钢材料模型在高能船舶碰撞中,碰撞区域构件将发生弹塑性大变形(以塑性变形为主)。因此,模型中船艏部结构为可变形弹塑性材质,而船体中后部的结构视为刚性材质。材料的本构关系是碰撞分析中的重要参数。为了真实反映材料特性,在船艏结构采用线性强化弹塑性模型,其屈服应力:式中,静屈服应力σ0取为2.35×108N/m2;弹性模量E取为2.06×1011N/m2;硬化模量Eh取为1.18×109N/m2;材料常数分别为:密度ρ为7850.0kg/m3;泊松比v为0.3。假定失效准则为:单元的等效塑性应变超过定义的极限塑性应变时,单元发生断裂失效。为了使有限元单元的计算断裂状况与实际钢材的物理断裂一致,需要正确定义单元材料的断裂应变极限值,这一数值受到单元网格尺度的影响。本文模型中碰撞区最小单元特征长度为150mm,其断裂极限应变取为ε=0.34。在船舶碰撞动态响应过程中,船用低碳钢的塑性性能对应变率是高度敏感的,必须在材料模型中引入应变率敏感性的影响。本文采用Cowper-symonds本构方程式中:σ0为塑性应变率时的动屈服应力;对船用普通碳钢,材料常数D=40.4和q=5。3.船岸配合物的模型设计(1)薄壁墩结构有限元模型由于该桥桥墩的双薄壁之间的距离大于驳船的半型宽,当驳船正撞其中一幅薄壁时,不会碰到另一幅,因此只考虑一幅薄壁。本桥上构是预应力箱梁,单箱单室,顶板宽12m,底板宽6m,墩顶处梁高6m。箱梁的刚度很大,对墩的约束也很大,因此墩顶的边界条件可以近似为固结。本桥2#墩桩基完全处于基岩中,基础的刚度很大,因此墩底的边界条件也可以近似为固结。薄壁墩的尺寸为:长(横桥向)6.5m,宽(顺桥向)1.2m,高29.0m。混凝土采用solide单元,钢筋采用link单元。(2)撞击船的计算模型500吨级驳船总长45m,型宽10.8m,型深2.2m,吃水1.6m,排水量677t,载重529t。计算模型对碰撞区域船艏结构,如外板、甲板、横舱壁、纵桁和横桁等均了较细致的描述,外板、甲板和横舱壁采用壳单元,纵桁和横桁采用梁单元。对于艏尖舱之后的船体,因其远离碰撞区,实际并不产生变形,仅提供刚度和质量影响,故将其处理为刚性,有限元网格也放大。全船的质量分布于各单元上,且重心位于纵舯剖面。模拟船体的各几何特性,如质心、重心和惯性矩均与实船一致。航速取用内河船舶常见速度,v=4m/s。(3)流体介质对碰撞的影响流体介质对碰撞的影响主要通过附连水质量来体现,附连水质量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。目前,附连水质量可以采用切片法进行计算或用经验公式来估算。就精度而言,切片理论高于经验公式;就方便而论,经验公式则优于切片理论。为简单起见,采用经验公式估计附加质量。关于进退运动的附连水质量,通常假定。式中:xll(t)为作用于船体上的水动力;为船体的进退加速度。附连水质量以附加质量密度的形式加到撞击船体上,一般取mxx=(0.02～0.07)m,m为船总质量。本文附加水质量取为船总质量的0.04倍,通过加大模型中船体部分壳单元的密度实现。船桥碰撞有限元模型如图1、图2所示。三、计算1.撞击船动能转换桥墩所受碰撞力曲线如图3所示。桥墩所受碰撞力具有很强的非线性波动特征,碰撞力的每一次峰值卸载都代表了船的某个构件的失效或破坏。最大碰撞力出现在T=0.056s,Fmax=6.46×107N。此时对应船的速度零点,之后船有相反方向的速度(如图4所示),也就是船被弹回,船墩逐渐脱离,因此碰撞力逐渐衰减,到T=0.084s衰减到0,此时船墩脱离,整个碰撞过程用时为0.084s。在T=0～0.084s内,船墩接触,船受有桥墩的作用力,因此船体速度曲线斜率不为零(船有加速度);在T=0.084s之后,船墩脱离,船体速度曲线斜率为零(船没有加速度)。在碰撞过程中,应满足能量守恒定律。船舶的撞击动能(包括附连水质量提供的动能)将转化为如下几种能量:(1)撞击船的弹塑性变形能及碰撞结束时刻撞击船及附连水的剩余动能;(2)薄壁墩的弹塑性变形能及动能;(3)构件之间摩擦引起的热能损失;(4)计算中由于沙漏现象损失的能量。其中1)和2)是主要部分,3)和4)是次要部分,量值很小。图5反映了撞击船的动能损失和能量转换情况。由于热能和沙漏能的存在,船变形能、船动能、墩变形能与墩动能的总和略小于船的初始动能,符合能量守恒定律。从图5可以看出,撞击船的动能绝大部分被船艏通过塑性变形所吸收。与船艏相比,桥墩吸收能量方面的能力非常小。3.直接碰撞引起的错误从图6、图7可知,在碰撞过程中,薄壁墩有三处高应力区:一处在撞击船与薄壁墩碰撞接触面及附近区域,是由于直接碰撞接触荷载引起的;另两处在墩顶和墩底截面附近,是由于桥墩整体弯曲变形引起的。在本文中,高应力区出现最危险时刻是T=0.056s,对应于最大碰撞力。四、船桥撞击力曲线(1)船-桥碰撞的力学过程和结构损伤可以用ANSYS/LS-DYNA软件详细模拟。(2)船与薄壁墩碰撞力在时间为0.056s左右达到最大值6.46×107N