船-桥墩防护装置碰撞有限元模型的建立

船-桥墩防护装置碰撞有限元模型的建立

根据数据，目前国内外理论研究、冲突模型研究和模型试验的重点是船舶的撞击能力、船舶对桥梁或碰撞系统的撞击能力以及船舶和桥梁或碰撞系统的能量吸收。然而，中国在船上和桥梁之间的碰撞没有有限的模拟。在本文中，aniss-ls-dyna的动态模拟模拟中，5000吨吨体女和广州雅门桥主体的碰撞发生。船舶与桥墩防护装置之间的碰撞,是船体和桥墩防撞系统结构在很短的时间内(2s左右)在巨大碰撞载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程.碰撞中存在着大量的非线性现象,如材料非线性、几何非线性、接触非线性和运动非线性等.所有这些特点使得船-桥墩防护装置碰撞问题的研究变得相当的复杂和困难.现有的船桥碰撞问题的研究方法主要有经典的Minorsky方法、汉斯-德鲁彻理论、沃辛理论、各种简化解析方法,简化内部机理的数值解法、试验方法和有限元法等.其中有限元法是目前公认的最有效的方法,它可以计入结构的大变形、接触、材料非线性和撕裂,较精确地计算结构之间变形和受力耦合的关系,因此能够相当真实地模拟船桥碰撞的力学过程.1结构模型的建立采用有限元方法对碰撞问题进行分析,其关键的一环就是建立合理并可行的碰撞有限元模型.由于碰撞问题本身的复杂性,给碰撞模型的建立带来了一定的困难:如果有限元模型完全依照实际结构来建立,那么结构过于烦琐,建模工作量大.因此在有限元模型的建立过程中结构的合理简化是很有必要的.考虑撞击船与防护装置发生横桥向正碰的情况.撞击船计算模型和桥墩防护装置计算模型的形式与尺寸分别参考了某艘5000t级油船(首部有球首)和广州崖门大桥主墩防护装置的实际形式和尺寸(见表1,表2).1.1撞击船的计算模型文中的主要研究目的是求出在船舶碰撞下防护装置的变形吸能及其对桥墩的保护作用,所关心的是船舶的冲击动能,至于撞击船的变形则不在文中的研究范围之内,因此可以对撞击船的计算模型作大规模的简化.首先,可以将撞击船简化为刚性板的组合;其次,仅用刚性船头代替整船的撞击作用,而撞击船的质量则由加大船头的密度来体现.防护装置的有限元模型基本上是按照实际的形式和尺寸建立,仅把结构中的极小构件(如小肘板、尖角过渡等)进行了适当的等效处理,以免网格划分时出现极小尺寸单元,导致积分步长大大减小,影响整个仿真分析的计算效率.1.2单元尺寸划分显式有限元计算的重要特点是采用时步积分,而时间步长的确定主要依赖于整个模型的最小单元特征长度,如果在有限元模型中出现一个极小尺寸的单元,将会导致时间步长的急剧减小和整个计算时间的大幅度增加,因此在有限元网格的划分中要尽量避免极小单元的出现.文中的有限元模型均采用控制单元边长的方法来控制网格的大小,最小特征长度控制在200mm左右,碰撞模型的网格划分情况如图1所示.1.3材料模型的建立文中研究对象的材料将全部使用船用低碳钢.除了材料的选取外,合理选择结构材料的本构关系也是碰撞分析中的重要内容.简化的解析方法通常采用刚塑性材料模型,为了更真实地反映材料特性,文中将采用两种不同的材料模型.1)对于发生塑性变形的防护装置采用各向同性硬化的随动塑性材料模型,其屈服应力σy由下式给出σy=σ0+EEhE−Ehεp(1)σy=σ0+EEhE-Ehεp(1)式中:σ0为初始屈服应力,取为2.35×108N/m2;E为弹性模量,取为2.06×1011N/m2;Eh为硬化模量,取为1.18×109N/m2.其余材料常数分别为:密度ρ:7850kg/m3,泊松比μ:0.32)对于不发生变形的撞击船头采用刚体材料模型,其材料常数为密度ρ:8.76×105kg/m3;弹性模量E:2.06×1011N/m3,泊松比μ:0.3.碰撞是一个动态响应过程,材料的动力特性影响不能忽略.由于船用低碳钢的塑性性能对应变率是高度敏感的,其屈服应力和拉伸强度极限随应变率的增加而增加,所以在材料模型中必须引入应变率敏感性的影响.材料应变率敏感性的本构方程有许多,文中采用与实验数据符合得较好的Cowper-Symonds本构方程σ′0σ0=1+(ε˙C)1p(2)σ0´σ0=1+(ε˙C)1p(2)式中:σ′0为在塑性应变率ε˙ε˙时的动屈服应力;σ0为相应的静屈服应力,C和p对于具体材料来说是常数,对船用钢而言,C=40.4和p=5.材料的失效非常复杂,文中通过最大塑性失效应变来定义材料的失效,即当结构单元的等效塑性应变达到定义的单元最大塑性失效应变时单元失效,失效后的单元将不再参与后面的计算,并不再具有强度.但是单元的最大塑性应变很难确定,它不但与材料本身的物理特性有关,而且与计算模型中的单元大小有着密切的关系.最新的试验与研究结果表明,当模型中的单元特征长度均大于50mm时,材料的最大塑性失效应变为34%.文中的最小单元特征长度为200mm,因此,最大塑性失效应变取为0.34.1.4钢之间的摩擦系数在文中使用了对称罚函数接触算法搜寻接触界面,并利用自适应面-面接触来定义撞击船头与防护装置之间的碰撞.文中研究对象之间的摩擦问题属于钢与钢之间的摩擦,钢之间的摩擦系数不但随润滑条件的不同变化很大(一般是0.03~0.45),而且还与接触区的变形阶段有关.即:在变形的弹性阶段,摩擦系数随着压力的增加而增大,而在塑性变形区域,摩擦系数的变化比较复杂.考虑到摩擦能量的损失并不大,文中的算例中对摩擦计算采取简化处理,设静动摩擦系数均等于0.1,且不随压力变化.2防护装置仿真数值仿真计算采用大型非线性有限元动态响应分析程序ANSYS/LS-DYNA.刚性船头与防护装置之间有一0.2m的初始距离,船头运动速度为5m/s,从结果的动画显示中可以看到:船头在运动的过程中逐渐与防护装置接触并使防护装置的碰撞区域发生明显的塑性变形,随着撞深的增加,船头的动能不断减少,最后船头将沿变形面以反向速度滑离防护装置,碰撞结束.以下将具体给出数值仿真的结果及其分析.2.1撞击船船的结构和耐撞击性结构的变形主要集中在撞击区域,而非碰撞区则未见明显变形,这表明防护装置抗撞能力的提高应该立足于提高容易遭受撞击的区域,整体的结构加强是不必要的.另外碰撞区域的变形特征与撞击船头的大小和形式相仿,由此可以推断:不同的撞头形式将导致不同的损伤变形模式,因此防护装置的耐撞性研究不可脱离撞击船船首型式而进行.2.2．碰撞力的变化图2给出的是碰撞过程中防护装置所受到的碰撞力(这里只取x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,在船头未与防护装置接触时,碰撞力为零.随着碰撞过程的进行,碰撞力不断增大到最大值,之后碰撞力减小到零,中途发生碰撞力突然减小的现象.碰撞力的减小是由于碰撞区域构件的失效或破坏造成的,出现两个峰值主要是防护装置有两层.由计算结果可得,最大碰撞力为41.3MN,发生在t=0.9s的时刻.2.3撞击动能的区分碰撞过程中船头动能的变化见图3,由图可见,在船头未碰及防护装置时,动能保持不变,而在与防护装置碰撞后,动能迅速减少.计算结果显示,碰撞开始时的总能量,也即船头的撞击动能为62.36MN·m,到t=1.08s时,动能为0.923MN·m,共损失了98.5%的动能.而从图4可以看到,结构的塑性变形能曲线与动能曲线的变化趋势几乎正好相反,由最初的能量为零迅速增至t=1.08s时刻的55.32MN·m.可见,在不考虑防护装置的运动及船体变形时,撞击动能的大部分将转化为防护装置的变形能,而防护装置也正是靠自身的这种变形吸能来减少船舶碰撞过程中传到桥墩上的力,以起到保护桥梁的目的.2.4撞击过程分析图5和图6分别表示了碰撞过程中的船头速度和撞深随时间的变化曲线,由4图可见,从船头与防护装置发生相互作用到动能损失98.5%,即t=0.06s到t=1.08s这段时间内,船头的运动速度迅速减小到负值,也就是说,到最后船头将以反方向的速度滑离防护装置.而从图5可以看到,随着碰撞过程的进行,撞深逐渐增加,最大撞深达到3.766m.但是,由于撞击速度的迅速减小,撞深的增加速度也逐渐变得缓慢.2.5计算结果与分析桥墩受到的碰撞力大小是检验防护装置抗撞效果的重要指标,如果通过防护装置的压坏吸能作用后传到桥墩上的作用力仍然大于桥墩的设计船撞力,那么,这个防护装置是失效的.文中计算模型中的防护装置已经成功运用于广州崖门大桥的主墩防撞设计中,该大桥主塔承台设计横桥向船撞击力为32MN,顺桥向为16MN.本例的计算结果将与该桥的设计值比较.计算结果中防护装置的约束反力即为桥墩受到的碰撞力,而每个约束点的约束反力都是随时间变化的,为了明确每一时刻桥墩所受到的总作用力,可以在每个时刻将防护装置各约束点的作用力相加,图7为桥墩受到的总作用力随时间的变化曲线,由图可以看到,桥墩受到的横桥向最大碰撞力为30.28MN,小于桥墩的设计横桥向船撞击力为32MN.3碰撞和碰撞时防护装置时根据经济和实际的需要进行计算计算结果说明该防护装置的设计尺寸是合理的,适于实际施工建造.此外在碰撞过程中,防护装置的变形和损坏主要集中在碰撞区,非碰撞区的结构则几乎没有变形,因此,若能将防护装置分为更小部分的组合,则当防护装置受到碰撞时就仅需对破坏的那1~2个舱室进行拆卸更换,这样将既经济又方便.另外,文中根据实际工程的需要,对有限元模型进行了大