运河新型桥墩防撞装置有限元数值模拟研究

    焦双健++常冬潇

    

    

    

    摘 要：本文对运河船桥碰撞现状及相关研究进行了简要的分析和总结，设计了新型双壁钢自旋浮筒桥墩防撞装置，利用双壁钢围堰将船舶与桥墩直接隔离，自旋浮筒拨转船行方向，二者共同减小碰撞对船、桥及防撞设施三者的危害；运用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立了船体与防撞装置的碰撞模型，分析碰撞过程中碰撞力、能量交换和应力变形等数据的特点和规律，研究双壁钢自旋浮筒防撞设施的工作效能，并对防撞装置的完善给出了建议。

    关键词：运河桥梁 船桥碰撞 防撞装置 数值模拟

    如今船桥碰撞事故发生的频率越来越高，造成的经济损失和人员伤亡越来越大，而国内外对防撞装置的研究主要针对海域大型桥梁，防撞形式多种多样，但运河中小型桥梁的桥墩防撞形式多为结构简单的浮式防撞墩，因此本文对运河桥梁的桥墩防撞装置进行设计研究。

    双壁钢自旋浮筒防撞装置的设计方案

    双壁钢自旋浮筒防撞装置的基本设想是采用双壁钢围堰全角度封闭的形式，确保运河老旧桥墩周身不存在防撞遗漏点，并起到与河面漂浮物隔离的作用。其次考虑到运河航道相对较窄，单纯靠防撞装置的后退缓冲及变形吸能对装置空间需求较大，所以利用外围密布的独立自旋浮筒在碰撞瞬间拨转船头，改变船行方向，结合结构变形吸能，确保桥墩的安全。

    由于双壁钢围堰两侧的碰撞角度较小，碰撞对安全的影响较小，因此只在碰撞时损毁最严重的两端布置自旋浮筒，对称简化如图1-图3。

    双壁钢围堰内设w形竖向钢折板，起支撑双壁钢及缓冲碰撞的作用，下部开有连通口，保证围堰内外水面平齐。自旋浮筒外围环绕橡胶柔性材料层，既为碰撞接触面产生相对较大的摩擦力带动浮筒自旋，也对碰撞起到微小缓冲作用，浮筒内设横隔板，将内部划分为若干独立气室，保证碰撞损坏时依然能有完整气室提供浮力，横隔板也起到支撑筒壁及缓冲碰撞的作用。

    碰撞的数值模拟计算

    国内外已经有研究证明在建立正确的模型和计算控制的基础上，ANSYS/LS-DYNA的分析结果与实际情况吻合良好，计算结果准确可靠。

    碰撞工况取两种。工况一取最不利情况：完全正撞。这种工况下，浮筒不自旋，只能与双壁钢围堰一起通过自身变形吸能。工况二取一般情况：11.3°夹角斜撞。此工况下，浮筒发挥自旋作用，瞬间改变船行方向，同时与双壁钢围堰共同变形吸能。

    1、模型的建立

    以V型船艏载重吨位1000DWT的船舶作为计算船型，重点研究低速碰撞中防撞装置的变形吸能及其对桥墩的保护作用，对于船舶重点关注的是动能变化，因此对撞击船的计算模型作大规模的简化，模型网格划分如图4。

    双壁钢和自旋浮筒模型的网格划分如图5-图6。

    2、正撞工况模拟结果及分析

    2.1船与防撞装置正撞模型

    正撞工况下碰撞模型的简化如图7。

    2.2碰撞力时程分析

    图8和图9为自旋浮筒与双壁钢围堰间受到的碰撞力时程图。两图中的X轴、Y轴、Z轴碰撞力以及合力曲线都表现出极强的非线性特征。船舶与浮筒间的撞击力在t=0.42s时达到最大值9.8MN，碰撞接触时间从t=0.1s持续到t=0.66s，相比于船撞裸桥墩，防撞装置降低了碰撞力峰值，延长了碰撞时间，使碰撞得到了缓冲。

    2.3速度及碰撞能量时程分析

    图10为船舶的速度时程曲线，可以看出在t=0.53s时船体从初始速度3m/s降至零，然后受到防撞装置给的反力获得微小的反向速度0.4m/s，逐渐离开防撞装置。

    图11为撞击过程中船舶动能时间历程曲线，可以看到船舶的动能在t=0.12s到t=0.53s之间迅速由4.5MJ减小至零，在船舶获得反向速度后，动能由零变为0.1MJ。

    图12为防撞装置的变形内能时程图，可以看到碰撞后，防撞设施变形吸能3.8MJ。

    图13为系统沙漏能时程图。沙漏能须小于总能量的5%时才认为计算结果是可靠的。图中可看出沙漏能达到0.11MJ，未超过总能量4.5MJ的5%。

    通过以上分析可知，碰撞过程中，初始动能最终转化为船舶剩余动能0.1MJ、防撞装置变形内能3.8MJ、沙漏能0.11MJ及小部分的滑动能和摩擦热能等。

    2.4结构的应力和变形

    图14为防撞装置在t=0.13s，0. 5s，0.8s，1.4s时的应力和变形图。在t=0.5s时达到最大应力533MPa，大于钢材的屈服强度（235 MPa），碰撞区发生塑性变形。

    图15为碰撞区最大位移云图。在0.53s 时出现最大位移0.759m，双壁钢围堰整体结构稳定，未出现明显位移。

    3、斜撞工况模拟结果及分析

    3.1船与防撞装置斜撞模型

    斜撞的结构模型与正撞相似，只改动碰撞角度，模型如图16。

    3.2碰撞力时程分析

    图17是自旋浮筒受到的撞击力时间历程曲线，峰值为8.1MN。图18是双壁钢围堰受到的碰撞力时程曲线，峰值为1.1MN。

    3.3速度及碰撞能量时程分析

    图19为船舶的速度时程曲线。可以看出船舶速度在0.2s内迅速减少到1.8m/s，表示碰撞瞬间防撞装置并未完全依靠变形迫使船舶降速，而是通过自旋浮筒的转动拨转了船艏的运动方向，减小了体系的伤害。

    图20为船舶动能时间历程曲线，可以看出在t=0.25s时船舶动能由4.5MJ减至2.6MJ。

    图21为防撞装置变形内能时程图。可以看出碰撞过程中防撞装置变形吸收了1.6MJ的能量，比正撞工况减少了2.2MJ，损毁相对较小。

    图22为系统沙漏能时程图，0.22MJ未超过总能量4.5MJ的5%。

    综上，在碰撞中，4.5MJ能量逐渐重新分配，转化为船舶剩余动能2.6MJ、防撞设施变形内能1.6MJ、沙漏能0.22MJ及小部分的滑动能和摩擦热能等。

    3.4结构的应力和变形

    图23为防撞装置在t=0.05s， 0.2s， 0.6s，1.4s的应力和变形图。可以看出，最大应力达到了500MPa，依然出现塑性变形。

    图24为防撞装置的最大变形位移图。碰撞区最大撞深在t=1.5s时达到0.85 m。

    4、数值模拟结论总结

    选取正撞与斜撞两个工况，利用ANSYS/LS-DYNA对双壁钢自旋浮筒桥墩防撞装置进行了数值模拟计算，从多个方面对本文防撞装置的防撞功效进行了分析，总结如下：①相比于船撞裸桥墩，防撞装置在两种工况下适当的减小了碰撞力峰值，延长了碰撞时间，缓冲了碰撞，对桥墩进行了有效的保护。②两种工况下，能量的转化率有所区别：正撞时，外围自旋浮筒不能发挥自旋作用，故防撞装置的变形损坏较明显，动能转化为变形能的比率较高；斜撞时，外围自旋浮筒发挥作用，碰撞瞬间拨转船艏的运动方向，船舶保持大部分动能，防撞装置变形相对减小，保证了整个体系的安全。

    结语

    目前针对运河中小型老旧桥梁桥墩防撞装置的专门研究较少，研究过程中可供参考的数据和经验并不多。本文通过ANSYS/LS-DYNA对双壁钢自旋浮筒防撞装置的碰撞模拟分析可知，该保护方式思路正确，作用良好。随着今后研究的进一步深化，希望能够出现更多形式的防护装置，实现更理想的防撞目标。

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    （作者单位：中国海洋大学）