船桥碰撞场景下船撞力计算方法研究

发布时间：2020-07-11 02:42

【摘要】：随着近年来水上贸易的日益繁忙以及江海上桥梁数目的不断增加,船舶撞击桥梁的事故发生次数也越来越多。船桥碰撞事故不仅会对船舶造成结构损伤和人员伤亡等灾难性后果,对桥梁的破坏也是极其显著的。为降低船桥碰撞事故发生后桥梁的损伤程度,在桥梁设计初期对船桥碰撞场景下的桥梁船撞力进行估算是十分必要的。因此,本文将运用解析法、试验研究法、经验公式法以及有限元数值仿真方法来研究船桥碰撞场景下船撞力的计算方法,主要内容如下:第一,运用交叉单元简化解析公式计算5000 DWT散货船船首结构的压溃力,并将得出的简化解析曲线与相应的准静态有限元仿真曲线进行比较,针对大倾角倾斜单元对原简化解析公式进行了修正;第二,以5000 DWT散货船的船首球鼻部分和船首外飘部分为原型,设计两种船首球鼻简化缩尺模型和一种船首外飘简化缩尺模型,并对其进行准静态压载试验,以此来验证修正后的交叉单元简化解析公式以及有限元数值仿真的正确性;第三,将修正后的交叉单元简化解析公式与外部动力学相结合,得出了一种计算船桥碰撞场景下船舶位移-碰撞力阶段均值曲线的解析方法,并将该方法与船撞刚性墙有限元数值仿真比较,以验证该解析方法的适用性,同时提出了一种快速估算船桥碰撞场景下桥梁等效船撞力的拟合公式;第四,分别建立3000 DWT散货船、5000 DWT散货船、10000 DWT散货船和武汉白沙洲大桥正桥1号桥墩的有限元模型,讨论桥墩上部结构对桥梁船撞力的放大作用,并进行十三种不同工况的船撞桥有限元数值仿真计算,得到了各船撞桥工况中船舶的位移-碰撞力曲线;第五,介绍了目前广泛使用的五种船撞桥经验公式,并和本文提出的等效船撞力拟合公式一起,计算上述十三种船撞桥工况的桥梁船撞力,再将其与有限元仿真结果进行比较;然后,从船型和动能折减两方面对等效船撞力拟合公式进行了修正,并对具有较大实际意义的两种船撞桥经验公式提出了一些修正意见。通过本文的研究,得到了能够较准确地估算船桥碰撞场景中桥梁船撞力的计算公式,可以为桥梁设计初期阶段提供一定的参考价值。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U447;U676.1
【图文】：

小倾角,大倾角,单元,交叉单元

2.1 概述在船舶碰撞中，用于计算撞击力的简化分析方法通常分为两种类型，即交叉单元法（IUM）和板单元法（PUM）[12]，这两种方法的原理为将船舶结构分为若干个交叉单元或板单元，对这些单元在被压溃时产生的压溃力进行累加。交叉单元法是运用 L 型、T 型和 X 型单元来建立船体模型，板单元法则是运用独立的、无交叉结构的单元来建立船体结构模型。基于这两种方法产生了许多计算板架结构轴向压溃力的简化解析公式，但在这些简化解析公式中通常是以加筋板、宽桁材、船体舷侧、船底板以及船首结构的球鼻部分作为研究对象，其共同特点为在选取的计算模型中，各单元的法线方向均与载荷方向平行或夹角较小（或称“小倾角单元”），如图 2-1 所示。但是，当船首与桥墩发生碰撞，或当设计吃水较大的船撞向另一艘吃水较小的船舶舷侧，或撞向海洋平台时，船首上部的外飘结构也极有可能与被撞物接触并发生变形，此时，在船首外飘结构上的交叉单元的法向与载荷方向夹角较大（或称“大倾角单元”）。为此，需要对已有的简化解析公式在计算大倾角单元轴向压溃力时的适用性进行探讨。

船首,内部结构,球鼻,形状

图 2-2 5000 DWT 船首形状及其内部结构目前计算圆锥形板壳轴向压溃力的简化解析公式大多针对非倾斜单元与角单元。本节中首先选取船首中的球鼻结构部分来进行准静态压载仿真，船鼻结构与准静态压载有限元计算模型如图 2-3 所示。该 5000 DWT 散货船球鼻为典型的柔性球鼻结构，半径范围在 0.5m~2.5m 之间，长度约为 2.35m准静态有限元仿真中，约束球鼻末端节点的所有自由度。

球鼻,船首,有限元计算模型,内部结构

图 2-2 5000 DWT 船首形状及其内部结构前计算圆锥形板壳轴向压溃力的简化解析公式大多针对非倾斜单元与元。本节中首先选取船首中的球鼻结构部分来进行准静态压载仿真，船构与准静态压载有限元计算模型如图 2-3 所示。该 5000 DWT 散货船为典型的柔性球鼻结构，半径范围在 0.5m~2.5m 之间，长度约为 2.3态有限元仿真中，约束球鼻末端节点的所有自由度。

【相似文献】