橋梁復合材料防撞護舷的結構設計

趙維立　蔣超　周宣伊　劉濤維　方明霞

摘要：采用有限元法對某3 000 t船舶與橋梁防撞護舷碰撞的動力學特性進行分析.通過將護舷試樣的碰撞試驗與有限元計算結果進行對比，完善該防撞護舷的有限元模型，使其更可靠.用ANSYS/LSDYNA模擬3 000 t船舶撞擊3種不同護舷（D型、圓環型和板型）的過程.不同護舷吸能結果表明：對于D型護舷，船舶會碰到橋墩，失去作用；對于板型護舷，船舶變形嚴重；圓環型護舷的效果最好.

關鍵詞：橋梁； 護舷； 船舶； 碰撞； 復合材料； 動力學特性； 非線性有限元

中圖分類號： U441.4 文獻標志碼：B

Abstract：The finite element method is used to analyze the collision dynamics characteristics of 3 000 t ship while it collides with bridge anticollision fender. To perfect the finite element model of the anticollision fender and make it more reliable， the experimental results of the fender sample are compared with the finite element calculation results. ANSYS/LSDYNA is used to simulate the process of the collision of 3 000 t ship with three types of fenders（Dtype， ringtype and platetype）. The energy absorption results of these different fenders show that， the ship could impact the bridge pier while the fender is Dtype， which would be out of action； the deformation of the ship is serious while the fender is platetype； the ringtype fender are the best.

Key words：bridge； fender； ship； collision； composite material； dynamics characteristics； nonlinear finite element

0 引 言

雖然橋梁本體設計時一般要求能夠承載一定的沖擊，但若橋梁不設防撞裝置，則船舶與橋梁碰撞時將直接與橋墩接觸，由于二者的剛度均較大，不能通過變形吸收能量，會對橋墩產生極大的撞擊力，極易造成船毀橋塌事故.[1]為橋梁設計合適的防撞護舷裝置，通過吸收撞擊能量降低船舶對橋墩的撞擊力，對于船舶和橋梁的安全有非常重要的現實意義.

傳統的橋梁防撞護舷多采用鋼制金屬材料或橡膠材料，不少專家學者對二者進行比較深入的研究.李元音等[2]提出用有限元非線性分析方法對碼頭橡膠護舷進行設計，改變單純依賴實體試驗或物理模型獲得護舷力學性能的方式.李干華等[3]研究M型、D型、CY型和鼓型橡膠護舷防撞裝置，并從產品結構、力學性能、安裝維護和成本價格等方面進行相關的比較分析.張峰[4]以東海大橋為工程背景，總結現有規范、計算理論及計算公式的適用條件，提出適合跨海大橋撞擊力的計算公式和計算方法.蔣致禹[5]結合非線性有限元仿真，研究橡膠護舷和鋼質護舷在沖擊作用下的變形失效，并根據耐撞性指標對鋼質護舷進行優化設計.然而，不論是鋼制金屬材料還是橡膠材料，二者都存在一定的缺陷，前者較為笨重，安裝使用不便，容易因腐蝕而造成性能下降，后者則有易老化的問題.

與傳統金屬材料和橡膠材料相比，復合材料具有更好的耐久性和抗腐蝕能力，吸能性能更強，壓潰載荷分布也更均勻[68]，因此對復合材料防撞護舷進行研究具有重要意義.王寶來等[9]根據復合材料的特點以及基體、增強相、截面和工藝等對復合材料強度的影響，闡述復合材料的宏觀強度理論中不同準則之間的差異和特點以及失效破壞準則.復合材料在撞擊作用下變形過大會發生基體失效、纖維失效、纖維基體剪切失效、分層等不同形式的局部失效.這些局部失效的產生與擴展將會使復合材料結構的承載能力降低并導致最終破壞.[10]本文以復合材料內填耗能閉孔泡沫材料構成的防撞護舷為研究對象，采用ANSYS仿真計算方法在LSDYNA平臺上研究3種復合材料防撞護舷結構在3 000 t船舶撞擊載荷作用下的動力學特性，計算結構在碰撞過程中產生的位移、速度、應變能和最大碰撞力等，以滿足使船撞力降低到52.4%以下的設計要求.

1 防撞護舷理論計算與試驗結果對比

為得到護舷的單元類型和材料屬性，進而得到精確的有限元模型，需要對護舷試樣進行碰撞試驗和有限元仿真計算.

試樣模型見圖1.試樣表面由玻璃纖維聚酯復合材料包覆，上下表面的尺寸均為360 mm×390 mm，厚度為20 mm；內部填充物為聚氨酯泡沫，在厚度方向上通過9根直徑為5 mm的柱形玻璃纖維復合材料加固穩定.在靠近試件邊緣部分貫穿試件厚度方向打直徑10 mm的孔，通過定位銷幫助試件在夾具上定位固定.試樣仿真模型見圖2.

在仿真計算中，選取LSDYNA庫中的Plastic Kinematic材料模擬玻璃鋼板，選取Power Law材料模擬低密度聚氨酯泡沫材料；通過設置碰撞剛性球密度調整剛性半球質量，進而改變初始動能；通過調整材料模型的密度、彈性模量和初始屈服強度等參數得到不同的仿真計算結果.運用有限元計算后處理軟件LSPrePost處理ANSYS/LSDYNA計算結果，得到碰撞力和碰撞能量時程曲線，見圖3和4.

采用Instron CEAST9350HV試驗機（見圖5）通過落錘自由落體勢能轉化的動能沖擊試件.先預估試件可承受的能量值進行試驗，將未穿透試件的能量值作為參考，然后再設定能穿透試件的能量.

試驗通過儀器直接得到的數據為撞擊瞬間落錘的動能（即沖擊能量）E0，該瞬間落錘的速率V0和落錘之后錘頭的力F與時間t的關系（采集頻率為1 MHz）.落錘試樣之間的撞擊力和碰撞能量與時間的關系曲線見圖6和7.

對試驗結果與仿真結果進行對比，發現碰撞力

的響應過程非常相似，仿真計算較好地反映碰撞過程中碰撞力的變化特性.對比仿真與試驗的能量時間曲線，發現二者的變化過程一致，但碰撞內能的試驗結果偏大.產生該誤差的主要原因是試驗過程中沖頭最終會靜止，系統認為動能完全轉化為試樣內能，而在仿真計算中，球體碰撞結束后將發生反彈，球體會帶走部分動能而無法傳遞給試樣.

總體說來，試驗和仿真結果在工程容許的誤差范圍內，說明采用ANSYSLS/DYNA模擬計算新型復合材料防撞護舷的碰撞動力學特性具有足夠的可靠性.

2 護舷實體結構碰撞動力學特性分析

為計算設置防撞護舷后最大碰撞力的許用值，首先需要計算未加防撞護舷時船橋之間的最大碰撞力.影響船橋撞擊力的因素很多，主要包括船型、船舶排水量、船舶尺寸、行駛速度以及橋墩的尺寸、形狀、強度、彈性性能等，因此理論計算非常復雜.[10]目前，國內外根據各國的實際情況采用不同的計算規范，且多是以試驗為基礎，對試驗結果進行理論推導后得出的，因此在指定的應用范圍內具有很好的適用性.[11]常用的規范包括國外的AASHTO規范、歐洲規范和Woisin修正公式以及我國的公路規范和鐵路規范.本文以歐洲規范為標準，得到未加防撞護舷時3 000 t船舶要求的最大碰撞力為52.32 MN.設計目標為采用復合材料防撞護舷后船撞力應降低到原來的52.4%以下，因此設置防撞護舷后最大碰撞力的許用值取為27.42 MN.

根據相關資料，采用3 000 t船舶模型（見圖8），帶有球鼻艏，總長為69.8 m，寬度為12.8 m.

在ANSYS/LSDYNA平臺上分別模擬3 000 t船舶以3.9 m/s的速度撞擊D型、圓環型和板型護舷的碰撞動力學過程.

2.1 D型護舷碰撞特性分析

3 000 t貨船撞擊D型護舷示意見圖9.護舷外形尺寸為4.0 m×2.5 m，半徑為2.0 m.護舷外殼板厚度為5 mm，芯柱直徑為5 mm，外殼與內部之間以玻璃纖維板分隔，結構內部填充聚氨酯泡沫作為耗能材料.

經有限元計算，獲得撞擊后護舷變形見圖10.

防撞護舷碰撞過程的能量變化曲線見圖11和12.在碰撞接觸變形最大時刻1.63 s時，動能下降接近為0，變形能與摩擦能占總能量94.3%.防撞護舷在整個碰撞過程中通過自身的變形吸收大部分能量，起到既保護橋又保護船的目的.碰撞過程沙漏能大致控制在總能量的4%以下，表明計算具有較高的精確性.從圖12可以看出：護舷吸收大部分能量，船首變形較小，說明對船舶的防護效果較好.

護舷模型幾何中心在碰撞過程中沿碰撞方向位

移變化過程見圖13.碰撞開始后，防撞護舷受撞擊擠壓后變形，船舶模型在初始速度作用下不斷侵入防撞護舷，受其變形影響，位移增加速率逐漸降低，在1.63 s時刻最大程度侵入護舷，深度為0.8 m.

船舶撞擊防撞護舷時碰撞力時程圖見圖14.最大碰撞力出現在船舶與防撞護舷產生最大變形的時刻，水平方向撞擊力為47.1 MN，大于設置的許用值27.42 MN，不符合碰撞力設計要求.碰撞力較大的原因是當采用D型護舷時，隨著碰撞過程的深入，護舷會移動到船首的凹陷處（見圖13），致使球鼻艏部分及上部護欄直接觸碰橋墩，產生較大碰撞力，使護舷失去防護作用.

2.2 圓環型護舷碰撞特性分析

3 000 t貨船撞擊圓環型護舷示意見圖15.圓環外徑為3.5 m，內徑2 m，厚度0.75 m.板的厚度為5 mm，芯柱直徑為5 mm.與3 000 t船舶撞擊后圓環型護舷變形見圖16.

防撞護舷碰撞過程能量變化時程見圖17和18.在碰撞接觸變形最大時刻1.60 s時，動能下降約為原來的6.1%，變形能與摩擦能占總能量的90.6%.碰撞過程沙漏能大致控制在總能量的5%以下.從圖18可以看出：護舷吸收大部分能量；船首變形較小，效果較好.

船舶模型幾何中心在碰撞過程中沿碰撞方向位移變化見圖19.在1.6 s時刻最大程度侵入護舷，深度為3 m（注意圖中船護舷接觸時刻為0.4 s）.

船舶撞擊防撞護舷時碰撞力時程曲線見圖20.最大碰撞力出現在1.29 s，水平方向撞擊力20.5 MN，小于規范要求的最大船撞力為27.42 MN的要求.

2.3 板型護舷碰撞特性分析

3 000 t貨船撞擊板型護舷示意見圖21.板型護舷表面由玻璃鋼板包覆，內部填充物為聚氨酯泡沫.護舷高8 m，厚1.2 m，玻璃鋼板厚度為5 mm，芯柱直徑為5 mm.撞擊后護舷變形見圖22.

防撞護舷碰撞過程能量變化曲線見圖23.在碰撞接觸變形最大時刻1.14 s時，動能下降為0，變形能與摩擦能占總能量92.9%.碰撞過程沙漏能大致控制在總能量的5%以下.從圖24可以看出：護舷吸收少部分能量，船首變形較大，效果不理想.

船舶模型幾何中心在碰撞過程中沿碰撞方向位移變化見圖25.在1.0 s時刻最大程度侵入護舷，深度為1 m，護舷幾乎被撞穿.船首變形能超過護舷，說明船體破壞較嚴重.

船舶撞擊防撞護舷時碰撞力時程曲線見圖26.

最大碰撞力出現在1.02 s，水平方向撞擊力為20.3 MN，小于規范要求的最大船撞力27.42 MN，符合要求.

由表1可以看出：D型護舷不符合要求，圓環型護舷吸收的能量約是船舶的4倍，板型護舷吸收的能量約是船舶的1/2.

3 結論

通過對比分析，得到如下結論.

1）通過防撞護舷試樣的有限元計算與試驗結果對比，發現在ANSYS/LSDYNA平臺上模擬船舶與護舷碰撞的動力學特性具有較高的精度.

2）通過對3 000 t船舶與D型、圓環型和板型護舷的碰撞過程進行對比發現：對于有球鼻艏的大型船舶，采用D型護舷時船舶會直接與橋墩碰撞，使防撞護舷完全失去作用；對于板型護舷，碰撞力能滿足要求，但大部分碰撞能量將由船舶吸收，船舶變形嚴重；采用圓環型防撞護舷時，最大碰撞力相對較小，且碰撞能量大部分被護舷吸收，船舶變形較小，能起到保護船舶與橋墩的作用.因此，圓環型防撞護舷的綜合性能最好.

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（編輯 武曉英）