新型GFRP柔性防船撞浮箱消能筒耗能机理及优化研究

摘要

随着现代交通运输业的疾速发展，跨越江河湖海的桥梁越来越多，加之航道上通行的船舶数量、船速和吨位又不断攀升，船只自身操控不易导致船舶与修建的桥梁之间的矛盾日益突出，桥梁遭受船舶撞击的几率也越来越高，严重威胁着跨航道桥梁的安全。因此研究并应用桥墩防船撞设施迫在眉睫，一个性能良好的防船撞设施不仅能保护桥梁的安全还能保证船舶不至于产生过大的破损而造成沉船事故。本文主要结合重庆某大桥桥墩FRP防船撞浮箱和广东某大桥新型GFRP防船撞浮箱的实际工程案例，通过理论推导，结合数值仿真分析研究新型GFRP柔性防船撞浮箱内部消能筒的耗能机理和传力机制。主要研究内容如下:
　　①首先根据弹塑性力学中应力-应变的相关知识，结合能量理论、薄壳应变能理论，推导出计算消能筒变形能的相关公式。以圆形消能筒为例进行计算，运用能量守恒定律，根据船舶的总动能并结合GFRP的材料参数估算出一个圆形消能筒储存的应变能。其他多边形消能筒储存的能量可以根据圆形消能筒储存的能量进行一个适当的折减（放大），折减（放大）系数可由数值计算结果进行分析得出。
　　②利用世界上流行的著名非线性动力有限元分析软件LS-DYNA进行GFRP防船撞浮箱内部消能筒不同形状的仿真分析。根据LS-DYNA计算结果分析不同形状消能筒以变形能方式储存能量的多少以及传递到桥墩上的撞击力大小。验证上一步理论计算结果与软件的数值计算结果是否一致，并作出相应的调整。最后综合计算分析结果及实际工程得出消能能力最佳、传递到桥墩的撞击力最优的某一形状的消能筒。
　　③同样利用LS-DYNA软件，根据上一步确定的最合适的消能筒形状来分析消能筒不同壁厚在承受船舶撞击时储存能量的多少以及传递到桥墩的撞击力的大小。对计算结果进行分析，得出最优的壁厚。
　　④利用LS-DYNA对进行过优化设计的GFRP防船撞浮箱进行仿真计算。首先设计出优化的浮箱，即在浮箱与桥墩接触的箱壳面上加一波形板。该波形板通过燕尾榫与箱壳上的燕尾槽相连接。由于波形板上的燕尾榫不是连续的，可以在燕尾槽内上下移动;在浮箱受到船舶撞击时，波形板中的半圆柱形板可以产生较大的变形，能够吸收更多的能量，传递到桥墩的力会更小。所以有波形板的浮箱能承受大吨位船舶的撞击，并产生较好的消能效果。针对波形板中的半圆柱形板，利用软件LS-DYNA进行半圆柱形板不同壁厚的仿真分析，得出不同半圆柱形板厚的浮箱储存的能量以及传递到桥墩的撞击力的大小。对计算结果进行分析，确定波形板中最优的半圆柱形板的壁厚。
　　基于以上研究，推导了消能筒储存变形能的理论公式，并结合软件计算验证其正确性。同时利用软件计算分析浮箱内部消能筒的合理形状和壁厚，为以后的工程实践提供理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．1．1 研究的背景

1．1．2 研究的目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 桥墩防撞设施研究现状

1．2．2 新型GFRP防船撞浮箱研究现状

1．3 本文主要研究内容及技术方法

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 主要研究技术方法

1．4 本章小结

第二章 新型GFRP防船撞浮箱消能机理分析

2．1 概述

2．2 船的动能

2．3 消能筒吸收的能量

2．3．1 理论推导

2．3．2 圆柱形单个消能筒分析

2．3．3 正多边形单个消能筒分析

2．4 传递到桥墩的能量

2．5 本章小结

第三章 基于LS-DYNA的新型GFRP防船撞浮箱不同形状的消能筒分析

3．1 概述

3．2 LS-DYNA程序简介

3．3 仿真计算模型

3．3．1 假设和简化

3．3．2 计算模型

3．3．3 边界条件

3．3．4 计算量

3．3．5 计算模型其他参数

3．4 不同形状消能筒分析

3．4．1 船撞裸墩

3．4．2 六边柱形消能筒

3．4．3 八边柱形消能筒

3．4．4 十二边柱形消能筒

3．4．5 十六边柱形消能筒

3．4．6 二十边柱形消能筒

3．4．7 二十四边柱形消能筒

3．4．8 二十八边柱形消能筒

3．4．9 圆柱形消能筒

3．4．10 结论分析

3．5 本章小结

第四章 基于LS-DYNA的新型GFRP防船撞浮箱不同壁厚消能筒的分析

4．1 概述

4．2 相同形状不同壁厚的消能筒分析

4．2．1 4mm壁厚消能筒分析

4．2．2 5mm壁厚消能筒分析

4．2．3 6mm壁厚消能筒分析

4．2．4 7mm壁厚消能筒分析

4．2．5 8mm壁厚消能筒分析

4．2．6 9mm壁厚消能筒分析

4．2．7 结论分析

4．3 本章小结

第五章 基于新型GFRP防船撞浮箱的优化设计

5．1 概述

5．2 浮箱优化设计

5．2．1 波形板的设计

5．2．2 无波形板的浮箱分析

5．2．3 4mm厚半圆柱板分析

5．2．4 5mm厚半圆柱板分析

5．2．5 6mm厚半圆柱板分析

5．2．6 7mm厚半圆柱板分析

5．2．7 8mm厚半圆柱板分析

5．2．8 9mm厚半圆柱板分析

5．2．9 10mm厚半圆柱板分析

5．2．10 结论分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文主要结论

6．2 本文主要创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果