箱式塑性吸能雷達(dá)雷達(dá)裝置的有限元分析

箱式塑性吸能雷達(dá)雷達(dá)裝置的有限元分析

近年來(lái)，我國(guó)多次修建了長(zhǎng)江和海陸橋梁的橋梁，橋梁防洪設(shè)計(jì)是一個(gè)重要課題。如果不能滿足國(guó)際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)的指導(dǎo)思想，橋梁兩側(cè)不到8.20l（l是設(shè)計(jì)允許航行的最大艘船船長(zhǎng)），必須安裝防撞裝置。由橡膠材料制成的水下碰撞防護(hù)裝置僅適用于保護(hù)輕度碰撞。鋼質(zhì)箱形防護(hù)結(jié)構(gòu)利用結(jié)構(gòu)的塑性變形，吸收大量的碰撞能量，適用于強(qiáng)橫斷裂。出于對(duì)撞防護(hù)對(duì)象的需求，應(yīng)盡可能控制接觸負(fù)荷。最重要的是，應(yīng)控制接觸負(fù)荷的最大值，以小于保護(hù)對(duì)象的負(fù)荷能力。同時(shí)，我們需要高吸收能量比和在較短的碰撞過(guò)程中吸收更多的能量。第一個(gè)是降低建設(shè)成本，第二個(gè)是降低裝置規(guī)模，保持寬航性。箱形防撞裝置已經(jīng)在國(guó)內(nèi)黃石長(zhǎng)江大橋橋墩防護(hù)中使用,并取得良好效果.但對(duì)此類裝置的防護(hù)機(jī)理.作用過(guò)程和所能達(dá)到的性能指標(biāo),至今仍缺少定性和定量的研究.由于碰撞現(xiàn)象的復(fù)雜性,無(wú)法用解析方法精確分析,而簡(jiǎn)化公式則顯得過(guò)于粗略.近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的非線性動(dòng)態(tài)有限元技術(shù)可以用于結(jié)構(gòu)碰撞過(guò)程的數(shù)值仿真,因而也適用于防撞裝置碰撞過(guò)程模擬計(jì)算.通過(guò)該過(guò)程的模擬,可以觀察到碰撞全程中船艏與防護(hù)裝置之間、防護(hù)裝置與橋墩之間接觸力的演變,各自的變形損傷、能量轉(zhuǎn)換和吸收等具有一般意義的現(xiàn)象.本文以一條4萬(wàn)t級(jí)的油船,在6m/s航速下,與某一安裝了箱式防撞裝置的橋梁橋墩發(fā)生碰撞為例,計(jì)算分析防撞裝置的作用過(guò)程.同時(shí)計(jì)算了同樣的條件下,該油船與無(wú)防護(hù)的橋墩發(fā)生接觸碰撞的過(guò)程,并對(duì)兩種結(jié)果進(jìn)行了分析比較.1防護(hù)裝置、船舶和橋梁的有限模型1.1風(fēng)機(jī)吸能推動(dòng)由直接接觸碰撞區(qū)建立有限元模型防撞裝置主體結(jié)構(gòu)由外板圍壁、底板、兩層甲板和橫縱艙壁等板架構(gòu)件組成.參照某箱式吸能防撞裝置的實(shí)際尺寸及形式,建立起防撞裝置直接接觸碰撞區(qū)的有限元計(jì)算模型,如圖1所示.主要尺度為前端半徑15m,裝置高度8m,橫壁間距5m,縱壁間距5m,甲板間距4m,板厚0.08m.1.2船模型的計(jì)算對(duì)碰撞區(qū)船艏結(jié)構(gòu),按照某4萬(wàn)t油船實(shí)際構(gòu)件的布置和尺度,模型作了描述.其中包括外板、各層甲板、橫向艙壁等主要板材及主要縱向桁材,見(jiàn)圖2.最小單元網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為15cm,船體中后部因遠(yuǎn)離碰撞基礎(chǔ)區(qū),實(shí)際上不發(fā)生變形,僅提供剛度和質(zhì)量的影響,因此可以用剛性板簡(jiǎn)化模擬船體后部結(jié)構(gòu).全船質(zhì)量分布于船身及船頭的各單元上,重心位于縱舯剖面上.船艏碰撞區(qū)材料考慮了船體材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變速率對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響.撞擊船長(zhǎng)160m,型寬30m,型深17m,吃水9.5m.載重量4萬(wàn)t,排水量5.05萬(wàn)t,船艏有限元模型如圖2所示.計(jì)算中考慮了船體材料和防撞裝置材料的破裂失效準(zhǔn)則.材料的最大塑性破裂失效應(yīng)變的取值不僅與材料的物理特性有關(guān),且與計(jì)算模型的單元大小有關(guān).本文中,撞擊船計(jì)算模型和防撞裝置有限元計(jì)算模型的單元均大于50mm,根據(jù)最新的試驗(yàn)與研究結(jié)果,材料的最大斷裂等效應(yīng)變?nèi)?4%.由于假設(shè)船舶與橋墩發(fā)生垂直碰撞,對(duì)于撞擊船來(lái)說(shuō),碰撞中船體只在縱向上發(fā)生剛性位移,而此時(shí)其周圍水的影響相對(duì)較小.本文采用加一大小為船體總質(zhì)量的0.04倍的附加水質(zhì)量的方法來(lái)處理.附加水的質(zhì)量通過(guò)加大模型中船體部分板單元的密度實(shí)現(xiàn).1.3結(jié)構(gòu)模型的建立參照橋墩實(shí)際結(jié)構(gòu)尺度建立被撞擊橋墩的計(jì)算模型,計(jì)算中承臺(tái)與泥面接觸的地方采用剛性固定的形式,而橋柱上端與橋面連接,采用簡(jiǎn)支的形式表達(dá).這種簡(jiǎn)化提高了橋墩的剛度,但并不影響對(duì)防撞裝置受力的計(jì)算.橋墩的混凝土部分采用了塊單元加以表達(dá),混凝土材料采用了Colorado混凝土帽蓋材料模型.被撞橋墩的承臺(tái)尺寸為長(zhǎng)×寬×高=20m×18m×9.5m,塔柱長(zhǎng)×寬=6m×3m,水深11m.橋墩計(jì)算模型見(jiàn)圖3.船-防撞裝置-橋墩接觸整體計(jì)算模型參見(jiàn)圖4.2計(jì)算結(jié)果和分析2.1撞擊船的動(dòng)能碰撞過(guò)程中的撞擊能量由撞擊船及附加水質(zhì)量的動(dòng)能提供.以撞擊動(dòng)能損失99%的時(shí)刻作為碰撞結(jié)束,則碰撞持續(xù)了3.8s,撞擊船的速度降為0.65m/s,見(jiàn)圖5、6.2.2風(fēng)機(jī)塔架中撞擊裝置的作用撞擊船、防撞裝置和橋梁之間的碰撞力曲線見(jiàn)圖7.圖中顯示撞擊船同防撞裝置之間的接觸碰撞力曲線與防撞裝置同橋墩之間的接觸碰撞力曲線基本上是重合的,說(shuō)明兩種力的作用過(guò)程基本上同步.該裝置在對(duì)沖擊碰撞力傳遞方面的滯后效應(yīng)不明顯.圖8顯示了在安裝防撞裝置撞擊前后,同一條船在同等條件下撞擊防撞裝置和直接撞擊橋梁橋墩,橋墩受到的沖擊載荷曲線比較.可以看出,當(dāng)t=0.2s,即防撞裝置構(gòu)件出現(xiàn)屈服崩潰以前,兩條曲線是重合的.說(shuō)明此時(shí)防撞裝置只是等量同步地傳遞碰撞載荷.當(dāng)防撞裝置的構(gòu)件出現(xiàn)失穩(wěn)崩潰后,兩條曲線出現(xiàn)分離.根據(jù)防撞裝置的塑性變形情況,在碰撞過(guò)程中,防撞裝置的作用過(guò)程可以分為3個(gè)時(shí)期.(1)初始彈性階段(0～0.18s).在該階段,防撞裝置僅存在彈性變形,未發(fā)生構(gòu)件的塑性變形及屈服崩潰的現(xiàn)象,兩條碰撞曲線基本上一致.(2)塑性損傷階段(0.18～2.0s).在該階段,防撞裝置出現(xiàn)接觸碰撞區(qū)域部分構(gòu)件的屈服失效.兩條碰撞曲線開(kāi)始分離,同時(shí)又都存在一定的斜率.說(shuō)明碰撞力在隨著碰撞過(guò)程的進(jìn)行而增大.(3)穩(wěn)定崩潰階段(2.0s～碰撞結(jié)束).在此階段,防撞裝置處于相對(duì)穩(wěn)定崩潰狀態(tài).該階段一個(gè)明顯的特征是在碰撞進(jìn)行中防撞裝置碰撞載荷并沒(méi)有明顯增加,僅處于一個(gè)小的波動(dòng)范圍之內(nèi).理想的防撞裝置應(yīng)該是使該部分曲線保持水平.在該階段,橋梁受到的沖擊載荷完全由防撞裝置自身的崩潰載荷所決定.圖8顯示防撞裝置的穩(wěn)定崩潰力為92MN.所以,在安裝防撞裝置前,橋梁上所受到的沖擊載荷大小取決于撞擊船船艏剛度的變化.而當(dāng)安裝了防撞裝置后,橋梁上所受沖擊載荷的大小取決于撞擊船船艏剛度和防撞裝置剛度中較小的一個(gè).由圖8可知,在未安裝防撞裝置時(shí),橋墩受到的最大碰撞力為142MN,由于防撞裝置的作用,使得橋墩受到的沖擊載荷減少了大約36%.如果將防撞裝置的剛度設(shè)計(jì)得更小,隨著其“崩潰力”的減小,橋墩受到的沖擊載荷會(huì)進(jìn)一步減小.因此,可根據(jù)橋梁防護(hù)要求,有目標(biāo)地設(shè)計(jì)防撞裝置的穩(wěn)定崩潰載荷.2.3撞擊裝置的運(yùn)行特征在碰撞過(guò)程中,船艏結(jié)構(gòu)與防撞裝置接觸區(qū)域部分崩潰并壓入船體,其壓入長(zhǎng)度在本文中稱為撞擊船的撞深.同樣,以防撞裝置被壓入其內(nèi)部的長(zhǎng)度作為防撞裝置的撞深.撞擊船與防撞裝置撞深曲線見(jiàn)圖9.由圖9可知,碰撞結(jié)束時(shí),撞擊船的撞深為3.2m,防撞裝置的撞深達(dá)到了11.9m.防撞裝置在該方向上的特征長(zhǎng)度為15m,則防撞裝置的相對(duì)行程為:11.9/15=0.79.圖10(a)顯示了未安裝防撞裝置時(shí),船艏直接撞擊橋墩后的變形情況;圖10(b)給出安裝防撞裝置后,船艏的變形圖.由圖可知,在未安裝防撞裝置時(shí),碰撞結(jié)束時(shí)整個(gè)球鼻部分全部被壓進(jìn)船體,損壞嚴(yán)重.而安裝了防撞裝置后,直到碰撞結(jié)束時(shí)刻,船艏球鼻依然保持了較好的外形,這說(shuō)明防撞裝置對(duì)撞擊船船艏也起到了保護(hù)作用.圖11顯示了在碰撞過(guò)程中,防撞裝置的變形情況.2.4由“吸能”引發(fā)的撞擊裝置設(shè)計(jì)圖12給出了在碰撞過(guò)程中撞擊船船艏的變形能曲線和防撞裝置的變形能曲線.由圖可見(jiàn),在碰撞結(jié)束時(shí)刻防撞裝置的變形能是620MJ,而撞擊船的變形能270MJ,約占總碰撞能的70%.防撞裝置吸收的撞擊能量大約等于船艏吸收能量的2.3倍.防撞裝置通過(guò)塑性變形,起到了很好的“吸能”作用.計(jì)算表明,在碰撞過(guò)程中防撞裝置的動(dòng)能始終保持在很小值范圍,僅為106J級(jí),與防撞裝置的變形能108J相比,可以忽略不計(jì).圖13給出了防撞裝置中各構(gòu)件的吸能情況.變形能曲線表明,水平甲板吸收的能量是最多的,橫縱艙壁其次,外板吸收的變形能最少.該防撞裝置在2.0s處才達(dá)到“穩(wěn)定崩潰力”,此時(shí)防撞裝置的撞深已經(jīng)達(dá)到8m,所以該防撞裝置結(jié)構(gòu)布局并不是太合理,其外沿部分結(jié)構(gòu)的剛度太小,浪費(fèi)了有效行程.由于防撞裝置的外板變形位移最大,而其吸收的能量又最少.應(yīng)該采取措施,通過(guò)提高防撞裝置外板及附近區(qū)域構(gòu)件的剛度,加大防撞裝置前部吸收的變形能,以提高結(jié)構(gòu)尺度利用率.3撞擊裝置的結(jié)構(gòu)形式及剛度(1)碰撞過(guò)程中,碰撞能量主要被防撞裝置和撞擊船船艏以變形能的形式所吸收.塑性吸能防撞設(shè)施通過(guò)自身結(jié)構(gòu)的塑性變形大量地吸收碰撞能量,從而消除傳遞到橋墩上的沖擊力或使其減小到非破壞性水平,并對(duì)撞擊船起到一定程度的保護(hù)作用.(2)撞擊船與防撞裝置的碰撞力曲線與防撞裝置與橋墩的接觸碰撞力曲線基本重合,說(shuō)明塑性吸能防撞裝置將其受到的來(lái)自撞擊船的沖擊載荷等量、同步地傳遞到橋墩上,在時(shí)間上滯后現(xiàn)象不明顯.(3)在碰撞過(guò)程中,當(dāng)碰撞力達(dá)到塑性吸能防撞裝置對(duì)應(yīng)該船型的“穩(wěn)定崩潰力”時(shí),撞擊船、橋墩、防撞裝置之間