基于ansysls-dyna非線性有限元的橋橋船撞力仿真分析

基于ansysls-dyna非線性有限元的橋橋船撞力仿真分析

在世界范圍內(nèi)，海上和河岸工程的建設(shè)進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段。船只撞橋事故頻發(fā)，嚴(yán)重危及了人員和財(cái)產(chǎn)安全。因此,在設(shè)計(jì)橋梁時要對船舶的撞擊力進(jìn)行估算。目前國內(nèi)外已經(jīng)提出了多種船撞力規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式,但這些公式大都含有經(jīng)驗(yàn)成分,所得計(jì)算結(jié)果也差別較大。因此,到底應(yīng)選擇多大的設(shè)防船撞力?確定設(shè)防船撞力后橋梁到底處于怎樣的安全水平?已成為相關(guān)科研與設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。隨著非線性有限元技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)值仿真也開始應(yīng)用于船舶撞擊橋梁的分析之中。作為一種先進(jìn)的技術(shù)工具,有限元仿真為船橋碰撞力學(xué)問題的研究提供了新的技術(shù)手段,并很大程度上拓展了研究者的思路。國內(nèi)外許多學(xué)者利用有限元模擬方法對船舶碰撞問題進(jìn)行了研究,研究表明有限元軟件分析結(jié)果與實(shí)際能很好地吻合,結(jié)果比較可靠。該文通過Ansys/LS-DYNA有限元仿真技術(shù)模擬了1000t級船舶與英德湞陽大橋主墩之間的碰撞,并結(jié)合規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式確定了船舶撞擊力的標(biāo)準(zhǔn)。從而為橋墩防撞設(shè)計(jì)及安全評估提供有益的借鑒。1通航概況1.1道路跨北江航道湞陽大橋位于廣東省英德市,連接G106國道和G107國道橫跨北江航道(圖1)。該航道整治工程項(xiàng)目北起北江烏石,南至三水河口,全長約470km。主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋,跨徑為60+2×93+60m=306m。1.2船舶事故工況北江航道河段的通航等級為三級內(nèi)河航道,根據(jù)GB50139-2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》表3.0.1可知其對應(yīng)的船舶噸級為1000t,根據(jù)調(diào)查1000t級船舶滿載后的排水量為1500t。這里重點(diǎn)考慮船舶下行情況(即橫橋向撞擊)。一方面是因?yàn)橄滦写白矘蚋怕瘦^高;另一方面是因?yàn)橄滦写矘虻拇俑?、船撞力大、后果相對?yán)重。船舶主要參數(shù)見表1。1.3最低通航水位最高通航水位:32.306m(85國家高程);最低通航水位:23.978m(85國家高程);以最高通航水位上2m和最低通航水位下2m作為橋梁撞擊點(diǎn),如圖2所示。2船橋碰撞有限元模型的建立利用Ansys/LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,考慮了船舶與橋墩結(jié)構(gòu)模型的簡化、材料模型的選取以及流體介質(zhì)的影響,建立船橋碰撞有限元模型。2.1船材料的本構(gòu)方程采用殼單元Shell163作為船舶的單元類型,船舶由船艏和船體兩部分組成,船艏為主要碰撞部分,對模型做了比較精細(xì)的建模,其中包括了外板、各層甲板、橫向艙壁等。由于船體中后部遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域,實(shí)際不發(fā)生變形,僅提供剛度和質(zhì)量的影響,因此用剛性體簡化模擬,可采用剛性板簡化模擬船體后部結(jié)構(gòu),從而形成整船計(jì)算模型。全船質(zhì)量分布于船身及船頭的各單元上。船艏碰撞區(qū)材料為低碳鋼,需考慮船體材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變速率對材料屈服強(qiáng)度的影響,船艏材料采用CowperSymonds本構(gòu)方程表達(dá),其表達(dá)式為:式中:σ0′為在單周塑性應(yīng)變率ε·時的動屈服應(yīng)力;σ0′為相應(yīng)的靜屈服應(yīng)力;對船用低碳鋼而言,CowperSymonds本構(gòu)方程中的2個常數(shù)取為:D=40.4,q=5。2.2橋橋樁土作用模型主橋墩的主要參數(shù)見表2。采用非線性樁土關(guān)系可以真實(shí)地反映橋樁與土之間的力學(xué)耦合過程,但沖擊載荷作用下,對土的特性以及土與樁、土與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)等材料非線性、幾何非線性的把握都十分困難,使得樁土動力相互作用問題成為公認(rèn)的復(fù)雜研究課題之一。該文借用海洋工程中樁土作用的處理方法,即采用了等效樁法來表達(dá)橋梁樁土的作用。等效樁長度取8倍樁徑,且下端剛性固定。由于橋墩的變形吸能相對于船舶吸能來說可以忽略,因此當(dāng)僅需要計(jì)算撞擊力時,采用完全剛性的橋墩可以大為簡化計(jì)算量,且對計(jì)算結(jié)果影響不大。橋墩的材料模型采用金屬的塑性隨動模型,采用實(shí)體單元Solid164作為橋墩的單元類型,忽略橋墩的變形和吸能。其有關(guān)參數(shù)為:密度ρ=2.5×10-9t/mm3,彈性模量E=32.5GPa,泊松比υ=0.2,屈服應(yīng)力σy=40MPa。2.3對小體優(yōu)化的影響當(dāng)船舶與橋墩發(fā)生垂直碰撞時,船體作縱向運(yùn)動,此時周圍流場對其影響較小。附連水質(zhì)量主要用以反映船體和流體之間的相互作用,為簡單起見,采用經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)附連水質(zhì)量,該文附加水質(zhì)量取為船總質(zhì)量的0.04倍,通過加大模型中船體部分殼單元的密度來實(shí)現(xiàn)。3船撞力結(jié)果分析3.1撞擊過程的能量在高、低水位下,分別對船正橋向撞擊和側(cè)橋向20°撞擊橋墩進(jìn)行了仿真分析,可以得到各船撞力時程曲線(圖3~6)。從圖3~6的船撞力時程曲線可以得到各工況下的最大船撞力,見表3。由表3可知:在最高和最低通航水位下,船舶橫橋向正撞橋墩時最大撞擊力分別為13.20MN和15.11MN,船舶撞擊承臺的最大撞擊力要比撞薄壁墩大14.5%;在最高和最低通航水位下,船側(cè)橋向20°撞擊橋墩,橫橋向最大撞擊力為11.88MN,順橋向最大撞擊力為5.06MN,船舶撞擊承臺的最大船撞力比撞擊薄壁墩高出30.8%(橫橋向)、56.7%(順橋向)?？梢?船舶撞擊不同部位,所得的船撞力大小是不同的,且船舶撞擊承臺的撞擊力比撞擊薄壁墩要大。此外,在碰撞過程中船頭損傷嚴(yán)重,出現(xiàn)了較大的塑性變形和破壞。圖7為碰撞過程中的能量時程曲線圖。由圖7可知:船舶的動能損失幾乎完全轉(zhuǎn)化為船舶的變形能增加值。這說明:在船橋碰撞過程中,撞擊船的初始能量基本上被船舶本身以變形能的形式吸收了,而橋墩吸收的能量很少,可以忽略不計(jì)。3.2計(jì)算結(jié)果對比關(guān)于船舶撞擊力常見的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果如下:(1)中國JTGD60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》給出的最大碰撞力為:(2)中國TB10002.1-2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》給出的最大碰撞力為:(3)國際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(IABSE)指南給出的船撞力公式計(jì)算結(jié)果如下:1)(Minorsky,Gerlach,Woision)公式給出的最大船撞力:2)(Saul-SveIsson,Knott,Greiner)公式給出的最大船撞力:3)美國AASHTO規(guī)范公式給出的最大船撞力:由上述經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算得到橫橋向的船撞力,又根據(jù)JTGD60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》:順橋向船撞力取為橫橋向船撞力的0.5倍。橋墩的各船撞力計(jì)算結(jié)果見表4。從表4可以發(fā)現(xiàn):現(xiàn)行各經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果差異較大,船撞力設(shè)計(jì)值不統(tǒng)一,無法直接應(yīng)用于橋梁的防撞設(shè)計(jì)。船-橋碰撞力的大小除了與撞擊船艏的剛度、撞擊船的噸位、速度有關(guān)外,還直接取決于橋墩的外形、水深、撞擊方向等因素。但經(jīng)驗(yàn)公式無法表達(dá)這些特征,而有限元法卻可以很好地表達(dá)各種結(jié)構(gòu)特征并顯示整個碰撞過程中碰撞力的演變情況。3.3船事故設(shè)計(jì)值對比從上文所列的經(jīng)驗(yàn)公式可以看出:雖然各種經(jīng)驗(yàn)公式的形式不一樣,但基本上都與速度和排水量這兩個因素有關(guān)。簡化公式其來源主要是能量交換原理和沖量原理,其對于完全彈性的系統(tǒng)可以比較好地進(jìn)行描述,而對于復(fù)雜體系的非線性碰撞問題難于給出比較準(zhǔn)確的定量結(jié)果。因此,船撞力必須結(jié)合有限元仿真計(jì)算,并綜合考慮船橋碰撞各種因素來確定。從表4可以發(fā)現(xiàn),中國JTGD60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》和美國AASHTO規(guī)范給出的船撞力估計(jì)值比仿真結(jié)果略大,分別高出1.8%和3%,比較易于接受;而中國TB10002.1-2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》給出的船撞力設(shè)計(jì)值不到有限元模擬結(jié)果的50%,嚴(yán)重偏小,是由于公式中引入的動能折減系數(shù)γ取值過小(該文取0.3),導(dǎo)致了船撞力的計(jì)算值偏小,因此γ的取值需進(jìn)行深入的研究;(Minorsky,Gerlach,Woision)公式給出的船撞力只有仿真結(jié)果的53%;(Saul-SveIsson,Knott,Greiner)公式給出的船撞力比仿真結(jié)果高出17.9%。綜合前述有限元分析和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果,推薦英德湞陽大橋3#~5#主墩的船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)取值為:橫橋向15.11MN,順橋向?yàn)?.56MN。4船事故撞擊通過對英德湞陽大橋主墩遭受船舶撞擊的整個過程進(jìn)行了非線性有限元仿真分析,計(jì)算了不同工況下的撞擊力,并與國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式船舶撞擊力進(jìn)行了比較,進(jìn)而確定了該橋船舶撞擊力的取值。(1)船舶撞擊不同部位,所得的船撞力大小是不同的,且船舶撞擊承臺比撞擊薄壁墩的撞擊力要高。正橋向撞擊橋墩時,船舶撞擊承臺的最大撞擊力要比撞薄壁墩大14.5%;側(cè)橋向20°撞擊橋墩時,船舶撞擊承臺的最大船撞力比撞擊薄壁墩高出:30.8%(橫橋向)、56.7%(順橋向)。(2)現(xiàn)行國內(nèi)外各船撞力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果差異較大,無法直接應(yīng)用于橋梁的防撞設(shè)計(jì)。中國JTGD60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》和美國AASH-TO規(guī)范給出的船撞力估計(jì)值比仿真結(jié)果分別高出1.8%和3%,比