船和桥墩防撞装置碰撞仿真模拟研究

发布时间：2017-05-10 12:06

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【摘要】： 船撞桥事故一直在世界各地不断地发生，且事故发生的频率越来越高。由船撞桥事故所导致的人员伤亡、财产损失以及环境破坏是惊人的。近年来为了减少事故损失，船桥碰撞机理特别是桥墩防护装置的研究得到越来越多人的关注。 无论是船-桥相撞或是船-防撞装置相撞都是一个十分复杂的碰撞动力学问题，是两者在很短的时间内在巨大冲击载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程，且碰撞过程中存在多种不确定性因素，因此企图通过建立一个精确的数学模型使问题得到完全解析是不可能的。经过多年的发展，非线性有限元数值仿真正日益成为目前碰撞分析的最有效方法。 本文在前人研究的基础之上，结合船桥碰撞实例，对碰撞计算机仿真模拟的关键技术进行了研究，在效率与精度的矛盾中找到平衡，对一艘2000吨级散货船横桥向正撞广东管洲河大桥桥墩防撞钢套箱这一种工况进行了计算机仿真模拟，，实现了以较小的单元和较短的时间模拟碰撞的时间历程，模拟满足工程精度要求，解决了目前碰撞仿真计算周期太长的问题，同时仿真模拟得到的结论对该类防撞装置提供了有价值的参考。 本文共分六章，第一章为绪论，介绍了国内外船船碰撞、船桥碰撞和桥墩防撞装置的研究概况。第二章对船桥碰撞外部动力学的解析方法进行了消化和吸收。第三章介绍了动态大变形非线性有限元的基本理论，对本课题分析采用的显式非线性有限元软件ANSYS／LS-DYNA作了全面的介绍。第四章对结构碰撞有限元计算的有效性进行了基础性研究，重点探讨单元尺寸、摩擦力、计算时间步长、沙漏控制等因素对仿真计算的影响，得到有用的结论，提高了计算的可靠性和效率。在第五章，利用有限元数值仿真技术对船-防撞装置的碰撞特性进行了研究，以较小的单元规模和较少的机时在满足工程精度要求的条件下模拟船舶横桥向正撞防撞钢套箱的时间历程，分别得到船和防撞钢套箱的损伤变形情况，获得了防撞装置和船各类构件的吸能分布情况，对结果进行评估和分析，对该类吸能型防撞钢套箱的结构设计提供有建设性的意见。第六章总结了全文，并对进一步的研究工作进行了展望。
【关键词】：船桥碰撞 防撞装置 数值仿真 显式非线性有限元 效率与精度
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：U661
【目录】：

• 第1章 绪论9-26
• 1.1 立题背景及研究意义9-11
• 1.2 船舶碰撞的国内外研究概况11-17
• 1.2.1 内部碰撞力学11-17
• 1.2.1.1 经验方法11-13
• 1.2.1.2 简化的解析方法13-15
• 1.2.1.3 简化有限元数值方法15-16
• 1.2.1.4 试验方法16-17
• 1.3 船桥碰撞的研究概况17-24
• 1.3.1 船撞力的研究概况18-22
• 1.3.1.1 各国规范中的最大正撞力计算方法20-22
• 1.3.2 桥墩防撞装置的研究概况22-24
• 1.4 本文的主要研究工作24-26
• 第2章 船-桥碰撞的解析方法26-35
• 2.1 前言26
• 2.2 解析方法26-35
• 2.2.1 碰撞的描述27-30
• 2.2.1.1 撞击船的运动加速度27-28
• 2.2.1.2 碰撞的相对加速度28-29
• 2.2.1.3 撞击船碰撞后的速度29-30
• 2.2.2 作用于桥墩上的碰撞冲量30-31
• 2.2.3 结构损伤变形所耗散的能量31-32
• 2.2.3.1 粘着情况31-32
• 2.2.3.2 滑动情况32
• 2.2.4 碰撞结束时的船体运动速度32-33
• 2.2.5 讨论33-35
• 2.2.5.1 关于计算的讨论33-34
• 2.2.5.2 关于附加质量34-35
• 第3章 非线性有限单元法概述35-51
• 3.1 有限元法的发展及应用概况35-36
• 3.2 非线性有限元理论36-43
• 3.2.1 物体变形状态的描述36-38
• 3.2.2 虚位移原理和虚应力原理38-39
• 3.2.2.1 流动坐标38
• 3.2.2.2 虚位移原理38-39
• 3.2.2.3 虚应力原理39
• 3.2.3 几何非线性板壳单元的一般列式39-43
• 3.2.3.1 应变能公式40-41
• 3.2.3.2 刚度矩阵列式41-43
• 3.3 ANSYS/LS-DYNA程序概述43-45
• 3.3.1 ANSYS/LS-DYNA程序特性43-45
• 3.4 ANSYS/LS-DYNA程序算法基础45-51
• 3.4.1 控制方程45-47
• 3.4.2 有限元离散化47-49
• 3.4.3 显式与隐式方法的比较49-51
• 第4章 碰撞模拟中影响效率与精度的因素研究51-60
• 4.1 单元尺寸影响51-53
• 4.2 单元时步长控制算法53-55
• 4.2.1 壳单元的时步控制53-54
• 4.2.2 梁单元的时步控制54-55
• 4.3 碰撞模拟中摩擦力的影响55-56
• 4.4 沙漏控制算法56-59
• 4.4.1 Belytschko-Lin-Tsay沙漏控制56-58
• 4.4.2 Englemann & Whirley沙漏控制58-59
• 4.5 碰撞模拟中效率与精度影响因素研究小结59-60
• 第5章 船舶与防撞装置碰撞的数值仿真60-75
• 5.1 引言60
• 5.2 模型的建立60-65
• 5.2.1 对防撞钢套箱各部件的建模处理63
• 5.2.2 对船各部件的建模处理63
• 5.2.3 仿真过程参数设置与控制63-65
• 5.3 仿真结果及其分析65-73
• 5.3.1 船和防撞装置的损伤变形分析67
• 5.3.2 碰撞区结构的应力分析67-69
• 5.3.3 碰撞反作用力69-71
• 5.3.3.1 规范计算的最大船撞力69-70
• 5.3.3.2 仿真计算的船撞力70-71
• 5.3.4 碰撞过程中的能量转换71-73
• 5.4 结论73-75
• 第6章 总结与展望75-77
• 6.1 本文主要研究工作总结75-76
• 6.2 后续研究工作展望76-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-82
• 攻读硕士学位期间发表的论文82

【引证文献】

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本文编号：354704