船舶-桥墩碰撞有限元数值仿真及桥墩防撞装置的研究

摘要

随着当今世界经济和科技的飞速发展，各种大型桥梁如雨后春笋般的拔地而起，同时，在这些桥梁所在航道上行驶的船舶种类和数量也越来越繁多，这就使得桥梁与船舶之间出现越来越大的矛盾冲突:船舶与桥梁碰撞事故频繁发生。所以为了减少此类事故的发生，越来越多的科研人员投入到对船-桥碰撞机理以及桥墩防撞装置的研究中。
　　基于船-桥碰撞的严峻形势，本文的研究内容分为两大部分:
　　(1)首先通过查阅资料，详细的了解了船-桥碰撞的基本机理以及国内外关于撞击力的各种简化公式和规范。在此基础上，利用有限元软件LS-DYNA对船舶撞击桥墩进行数值仿真，通过对不同工况的有限元计算，确定不同因素对碰撞过程的影响。主要因素为:船舶速度、桥墩类型、碰撞位置、船舶吨位、碰撞角度;主要计算结果是:撞击力、船首撞深、桥墩位移、船舶和桥墩碰撞应力等等。最后，将本文关于撞击力的有限元计算结果与国内外各种简化公式和规范进行比较，判断有限元计算结果的正确性。
　　(2)通过对国内外已有桥墩防撞装置进行综合的评述，同时结合本文第一部分中的相关计算结果，本文提出两种桥墩防撞方案:“固定式橡胶护弦桥墩防撞”;“FRP桥墩防撞浮箱”。分别对这两种方案进行有限元模拟，判断不同方案的防撞效果，判断依据主要是:最大撞击力、碰撞持续时间、能量吸收、碰撞应力、桥墩位移。
　　针对以上两个研究部分，本文共分为五章:第一章和第二章主要对船-桥碰撞研究的基本概况、基本计算方法和理论、国内外各种简化公式和规范、有限元算法、以及混凝土本构模型进行详细陈述;第三章和第四章是本文最核心的内容，主要是利用LS-DYNA进行数值模拟;第五章对本文进行详细的总结，对后续的研究提出展望。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 本文研究的背景和意义

1．1．1 本文研究的背景

1．1．2 本文研究的意义

1．2 船舶桥梁碰撞问题的研究现状

1．2．1 国外研究现状概述

1．2．2 国内研究现状概述

1．3 船舶桥梁碰撞基本理论与方法

1．3．1 船舶桥墩碰撞的基本理论

1．3．2 船舶桥墩碰撞的基本方法

1．4 本文的主要研究内容和方法

第二章 船舶-桥墩碰撞有限元算法及混凝土本构关系

2．1 ANSYS／LS-DYNA程序介绍

2．2 有限元控制方程

2．3 有限元碰撞问题中的动态接触与摩擦

2．3．1 碰撞问题的动态接触

2．3．2 碰撞问题接触界面的摩擦

2．4 混凝土本构模型

2．4．1 混凝土动态本构模型

2．4．2 基于LS-DYNA有限元软件的混凝土本构模型

第三章 船舶-桥墩碰撞有限元仿真分析

3．1 概述

3．2 船舶-桥墩碰撞有限元模型的建立

3．2．1 船舶有限元模型的建立

3．2．2 桥墩有限元模型的建立

3．2．3 基于各种工况下的船舶-桥墩碰撞的有限元整体模型

3．3 船舶-桥墩碰撞的有限元计算结果及分析

3．3．1 工况一有限元结果及分析

3．3．2 工况二有限元结果及分析

3．3．3 工况三有限元结果及分析

3．3．4 工况四有限元结果及分析

3．3．5 工况五有限元结果及分析

3．3．6 本文有限元计算结果与国内外撞击力规范的比较

第四章 桥墩防撞装置的设计及仿真分析

4．1 桥墩防撞装置的设计原理及其分类

4．1．1 桥墩防撞装置的设计原理

4．1．2 桥墩防撞装置的分类

4．1．3 本文进行有限元计算的两种桥墩防撞装置

4．2 “固定式橡胶护弦桥墩防撞”方案有限元仿真计算

4．2．1 “固定式橡胶护弦桥墩防撞”方案概述

4．2．2 “固定式橡胶护弦桥墩防撞”方案有限元模型建立

4．2．3 工况一船舶正撞有限元结果及分析

4．2．4 工况二船舶斜撞有限元结果及分析

4．3 “FRP桥墩防撞浮箱”方案有限元仿真计算

4．3．1 “FRP桥墩防撞浮箱”方案概述

4．3．2 “FRP桥墩防撞浮箱”方案有限元模型建立

4．3．3 工况一船舶正撞有限元结果及分析

4．3．4 工况二船舶斜撞有限元结果及分析

4．4 小节

第五章 结论与展望

5．1 本文结论

5．2 未来工作的展望

参考文献