運河新型橋墩防撞裝置有限元數值模擬研究

焦雙健++常冬瀟

摘 要：本文對運河船橋碰撞現狀及相關研究進行了簡要的分析和總結，設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，自旋浮筒撥轉船行方向，二者共同減小碰撞對船、橋及防撞設施三者的危害；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、能量交換和應力變形等數據的特點和規律，研究雙壁鋼自旋浮筒防撞設施的工作效能，并對防撞裝置的完善給出了建議。

關鍵詞：運河橋梁 船橋碰撞 防撞裝置 數值模擬

如今船橋碰撞事故發生的頻率越來越高，造成的經濟損失和人員傷亡越來越大，而國內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構簡單的浮式防撞墩，因此本文對運河橋梁的橋墩防撞裝置進行設計研究。

雙壁鋼自旋浮筒防撞裝置的設計方案

雙壁鋼自旋浮筒防撞裝置的基本設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船頭，改變船行方向，結合結構變形吸能，確保橋墩的安全。

由于雙壁鋼圍堰兩側的碰撞角度較小，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。

雙壁鋼圍堰內設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，保證圍堰內外水面平齊。自旋浮筒外圍環繞橡膠柔性材料層，既為碰撞接觸面產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，浮筒內設橫隔板，將內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。

碰撞的數值模擬計算

國內外已經有研究證明在建立正確的模型和計算控制的基礎上，ANSYS/LS-DYNA的分析結果與實際情況吻合良好，計算結果準確可靠。

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，對于船舶重點關注的是動能變化，因此對撞擊船的計算模型作大規模的簡化，模型網格劃分如圖4。

雙壁鋼和自旋浮筒模型的網格劃分如圖5-圖6。

2、正撞工況模擬結果及分析

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，動能由零變為0.1MJ。

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

圖13為系統沙漏能時程圖。沙漏能須小于總能量的5%時才認為計算結果是可靠的。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，初始動能最終轉化為船舶剩余動能0.1MJ、防撞裝置變形內能3.8MJ、沙漏能0.11MJ及小部分的滑動能和摩擦熱能等。

2.4結構的應力和變形

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

圖15為碰撞區最大位移云圖。在0.53s 時出現最大位移0.759m，雙壁鋼圍堰整體結構穩定，未出現明顯位移。

3、斜撞工況模擬結果及分析

3.1船與防撞裝置斜撞模型

斜撞的結構模型與正撞相似，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動撥轉了船艏的運動方向，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為防撞裝置變形內能時程圖。可以看出碰撞過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，轉化為船舶剩余動能2.6MJ、防撞設施變形內能1.6MJ、沙漏能0.22MJ及小部分的滑動能和摩擦熱能等。endprint

3.4結構的應力和變形

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

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

4、數值模擬結論總結

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，總結如下：①相比于船撞裸橋墩，防撞裝置在兩種工況下適當的減小了碰撞力峰值，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，能量的轉化率有所區別：正撞時，外圍自旋浮筒不能發揮自旋作用，故防撞裝置的變形損壞較明顯，動能轉化為變形能的比率較高；斜撞時，外圍自旋浮筒發揮作用，碰撞瞬間撥轉船艏的運動方向，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據和經驗并不多。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，希望能夠出現更多形式的防護裝置，實現更理想的防撞目標。

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（作者單位：中國海洋大學）endprint