1.引言

橋墩受到船舶的直接碰撞，它承受的撞擊力是極其大的。在進行橋墩設計時，如果參照它能夠直接承受的撞擊力，那么橋墩將會十分的龐大，此時河道的通航水平會大大的減小；如果增大橋梁的跨徑，使得橋墩不在要求的船舶通航范圍內，那么將會導致橋型發(fā)生相應的變化，投資也會變大，十分的不經濟。橋墩防撞裝置可以有效的避免船舶直接撞擊橋墩，使得橋墩受到的撞擊力大大的減小，這也是目前解決問題的關鍵所在。本文參照夷陵長江大橋主墩的橋墩防撞裝置，利用 ANSYS/LS-DYNA 軟件建立了模型，并對碰撞過程進行了仿真模擬的分析。通過仿真分析，對防護裝置的可靠度進行評價。

2.模型的建立

船舶與防護裝置發(fā)生的碰撞是在橋梁的法線方向上發(fā)生的。撞擊船舶模型采用5000DWT輪船實際尺寸，橋墩防撞裝置采用夷陵長江大橋主墩防撞裝置尺寸。

表2.1撞擊船的主要尺寸

代表輪船型	輪船長度 L（m）	型寬 B（m）	吃水 D（m）	載重 DWT（t）
貨輪	113	17.5	5.5	5000

3.結構的簡化

在分析船橋碰撞問題時，關鍵是要建立正確的有限元模型，如果在建模的過程中，所建立的模型十分的復雜，往往會使得工作量增大大，而且在計算的過程中，計算機運算的時間也會過長，計算規(guī)模也可能會超過計算機所能承受的范圍，最終可能會使得仿真計算不能正常進行，因此在建模的過程中，對模型進行簡化是非常的重要的。在本文中，所研究是的船舶碰撞橋墩時，防撞裝置對橋墩的保護性能，重點是船舶碰撞時，所帶來的沖擊動能，然而對于船舶的變形，本文不做考慮。因此在建模的過程中，可以對船舶模型做出相應的簡化：采用考慮附帶水質量的質量塊剛體來模擬船舶。本文主要研究橋墩防撞裝置，所以在建立模型時，采用實際形式、尺寸，只是把模型中極小的構件進行簡化，避免在建模過程中對網格進行劃分時，由于尺寸單元過小，而減小積分步長，使得分析效率大大的降低。

針對上面提到的結構簡化，對建模過程中的模型提出假設:

1、船舶是用質量塊（包含水質量）來模擬的，并且不考慮輪船在碰撞的過程所吸收的能量；

2、船舶在與防撞裝置發(fā)生碰撞的時候，橋梁上部結構所產生的動力響應不做考慮；

3、流水對船舶在碰撞當中所吸收的能量不做考慮。 利用 ANSYS/LS-DYNA 建立了模型，輪船的重量是 DWT5000 ，速度是 /m4s ，橫橋向碰撞，對此過程進行仿真模擬分析。

4.船舶及橋梁有限元計算模型

根據(jù)相關參數(shù)，建立船舶及橋梁有限元計算模型，其有限元模型如下圖所示：

圖 4.1 船舶有限元模型

圖 4.2 船舶內部隔板模型

 

圖 4.3 橋墩有限元模型

圖 4.4 船舶橋梁整體有限元模型

 5.仿真結果及其分析

5.1碰撞力時間歷程曲線

圖 5.1 船舶橋梁碰撞力時間歷程曲線

圖 5.1 為撞擊力的時程曲線圖。根據(jù)圖中所表示的，在碰撞過程中，撞擊力的非線性是很明顯的，碰撞過程中船舶的各個構件產生破壞或者失效，由于這樣，碰撞力呈現(xiàn)出跳躍或者撥動。由于剛剛接觸，所以碰撞力為 0。隨著時間的增大，碰撞力也是在變大的，在 t=0.03s 時，碰撞力達到最大值。撞擊結束后碰撞力再次趨向于 0。

圖 5.2 橋墩撞擊等效塑形應力

 

圖 5.3 船舶撞擊等效塑形應力

圖 5.4 船舶撞擊下橋墩位移云圖

 5.結論

通過 ANSYS/LS-DYNA 對橋墩防撞裝置所進行的仿真模擬的計算，可以比較直觀的描述出船橋碰撞力、結構能量的轉化以及防撞裝置的應力和變形。在碰撞過程中碰撞力曲線具有很強的非線形，還始終伴隨著船體結構構件的不斷失效和破壞形成的跳躍與卸載現(xiàn)象。通過對應力和應變的分析可知，防撞裝置的應力和變形均在規(guī)范允許的范圍內，從而進一步驗證安全性評價的可靠性。