最新【精品】范文参考文献专业论文船撞桥数值模拟分析船撞桥数值模拟分析摘要：利用LS-DYNA有限元程序建立计算模型，基于显式非线性有限单元法，选用HJC动态本构模型对一艘500t级的驳船撞击桥墩的过程进行了一系列动态数值模拟研究。计算分析了不同撞击方向和不同桥墩形状时，船舶与桥墩的撞击力时程，能量转换，桥墩的损伤形态以及冲击响应的一般规律，结果与理论计算吻合较好。从而为同类桥梁设计、维护和损伤评估等提供理论上的支持。关键词：船撞桥；撞击力；HJC动态本构模型；数值模拟中图分类号：R185文献标识码：A1、引言1965年-1989年期间，世界范围内平均每年都会有灾难性的船撞事故发生。这些事故造成100多人死亡，巨大的经济损失，运输服务损失和其他损害赔偿。1980年，美国弗罗里达州的坦帕湾上的阳光高架桥在一次船撞事故中的倒塌，从此船舶碰撞设计标准在美国桥梁发展史上便出现了一个重要的转折点，穿越航道的桥梁安全问题出现了，世界上许多国家开始了研究船舶碰撞的问题[1]。在科学技术和经济飞速发展的今天，我国桥梁的建设进入了一个新的发展时期。跨越通航江河、海峡的大型桥梁数量越来越多，船舶尺寸和排水量逐渐趋于大型化，桥梁遭受船舶撞击而致损坏或倒塌的重大事件也逐年增长[2]。因此，船撞是一个不容忽视的问题。目前国际范围内的相关设计规范中均将船撞问题简化为静力问题处理，这在合理性方面存在较大的缺陷[3]。近年二十几年来，仿真分析的方法在桥梁碰撞研究中得到了广泛的应用。本文正是在这种背景下进行了船撞桥梁的碰撞模拟分析。2、计算模型本文选用的驳船基本尺寸如表1所示，同时选用两种不同形状的桥墩A和B作对比分析，桥墩的基本尺寸分别如表2和图1所示。表1驳船的主要尺度图1桥墩B墩底截面尺寸驳船与桥墩的有限元模型见图2-图4。由于在碰撞过程中船首是碰撞和吸能的关键部位并且需要表达复杂的变形模式，所以对船艏采用特别精细的网格。模型的最小单元长度控制在50mm左右。船首的各层甲板、舱壁板、肋板等采用壳单元SHELL163模拟。由于在整个撞击过程中，只有船艏与桥墩碰撞接触，船体中后部因远离撞击区，仅提供刚度和质量的影响，因此将船体中后部简化为刚体，通过调整板的几何尺寸和材料密度，使整船的重量和重心的位置与实船相符。船头材料为低碳钢，采用能够考虑应变率对材料屈服强度影响的双线性塑性随动模型。船舶的航行速度为3m/s。桥墩模型选用solid164实体单元模拟，在碰撞区域适当将网格加密，材料采用C40混凝土，选用能够反映混凝土材料在碰撞作用下产生损伤、破碎及断裂破坏的HJC动态本构模型。图2船舶简化模型图3桥墩A简化模型图4桥墩B简化模型3、本构模型各向同性、随动硬化或各向同性和随动硬化的混合模型与应变率相关，可考虑失效。应变率用Cowper-Symonds模型来考虑，用与应变率相关的因数表示屈服应力[4]：（1）其中：这里是初始屈服应力；是应变率；和是CowperSymonds应变率参数；是有效塑性应变；是塑性硬化模量，。HJC模型是HolmquistTJ、JohnsonGR和CookWH于1993年针对混凝土在大应变、高应变率和高压强条件下提出的一种计算本构模型，可用于Lagrange和Euler两种算法。该模型是对Osborn模型[5]的改进，并且考虑了材料的损伤、应变率效应以及静水压力对于屈服应力的影响。HJC模型的屈服面可表述为：（2）其中，是标准化等效应力（为材料的静力抗压强度）。是标准化静水压力。是无量纲的应变率（为真实应变率，为参考应变率）。、、、和均为材料常数。表示标准化内聚力强度，表示标准化压力硬化系数，是压力硬化指数，是应变率系数，是混凝土所能达到的最大标准化强度。4、船撞仿真计算结果及分析船舶从不同方向撞击桥墩时对桥墩造成的不同程度损伤体现在船撞力的大小。不同形状的桥墩受到相同的船舶撞击而产生不同程度的损伤也体现在船撞力的大小。图6和图7分别给出了驳船正撞与侧撞桥A和驳船正撞桥A与桥B的船撞力时程曲线。图6显示了驳船撞击桥A时正撞力峰值为侧撞力峰值的0.46倍。正撞时出现了两个撞击力峰值，第一个出现在0.28s时刻，其值为12.6MN，第二个出现在0.44s时刻，其值为0.96MN，由此可以看出在第一次撞击峰值出现后，桥墩碰撞区域混凝土由于发生了显著的破坏与船艏的接触面积变小，从而使得撞击力减小并延长了撞击时间。图7显示了驳船正撞桥B时撞击力峰值为正撞桥B时撞击力峰值的1.5倍。表明墩的形状对船撞力的大小存在较大的影响。图5驳船撞击桥A船撞力时程曲线图6驳船正撞桥A和桥B船撞力时程曲线5、结论（1）、非线性有限元技术能够对船撞桥的整个过程进行数值