电话:18652773661

Banner
首页 > 新闻动态 > 内容
“复合护甲”的优化 ——圆环形复合材料防撞护舷的结构优化设计
- 2019-07-29-

船与桥墩的碰撞不只会形成桥墩或船体构造的损坏,还会形成人员伤亡、环境污染等灾难性结果。因而,在桥墩上装置设计有效的防撞护舷,以吸收撞击能量、降低船桥碰撞力,进步船舶和桥梁的平安性,具有重要的理想意义。国内外学者对防撞护舷停止了大量研讨,在理论机理、数值模仿、实验办法、优化设计等方面都获得了一定的成果。

由于复合资料防撞护舷具有重量轻、耐腐蚀,以及吸能才能更强,压溃载荷散布更平均等优点,正遭到越来越普遍的注重。但是,目前对复合资料防撞护舷的优化设计触及甚少,为此,本文以复合资料防撞护舷为研讨对象,在ANSYS/LS-DYNA和Isight平台上,对圆环形复合资料防撞护舷的构造停止优化设计,为构造参数的选取提供根据。


碰撞特性剖析


防撞护舷碰撞设计规范

为了取得装置防撞护舷后碰撞力的许用值,首先需求计算在未装置防撞护舷时,船桥碰撞的碰撞力。而影响船桥碰撞力大小的要素众多,理论计算十分复杂。目前国内外依据详细状况采用了不同简化公式或标准停止计算,比拟常用的有:AASHTO标准、欧洲标准、我国公路标准、我国铁路标准和woisin修正公式等,每个简化公式都有一定的适用范围。

本文依据内河航道设计请求,碰撞力采用欧洲标准作为规范。当1000吨船舶以3.9m/s速度与桥梁相撞时, 碰撞力为30.2MN。装置圆环形复合资料防撞护舷后, 其碰撞力许用值采用“碰撞力(MN)×52.4%”的规范,即内河航道桥梁装置防撞护舷后,1000吨船舶的船桥碰撞力应不超越15.82MN。


碰撞实验与有限元计算结果比照

本文采用有限元计算办法,对1000吨货船与桥梁碰撞过程停止数值模仿,进而对圆环形复合资料防撞护舷的构造停止优化设计。而有限元模型的精确性需求经过实验结果停止比照考证。由于船桥碰撞实验艰难,因而,本文首先经过对复合资料防撞护舷试样停止落锤冲击实验,并用有限元对落锤实验过程停止数值模仿。经过结果比照肯定圆环形复合资料防撞护舷资料属性、单元类型等的选取准绳,为取得防撞护舷相对准确的有限元模型奠定根底。

圆环形复合资料防撞护舷外壳与消能板以玻璃纤维板为资料,内部以玻璃纤维芯柱作支撑,构造内部填充聚氨酯泡沫作为耗能资料。这种资料和构造的组合,既能够效能地发挥吸能作用,又能够防止构造受冲击而惹起的大范围毁坏。依据此构造制造实验试样,经过落锤冲击实验,模仿船桥碰撞状况。首先将制造的试样置于环境箱中的刚性台面,然后用直径25.4mm的半球形锤头在落锤冲击实验机CEAST9350上对试件外表停止低速冲击。实验结果与ANSYS/LS-DYNA数值模仿结果具有较好的分歧性,阐明采用ANSYS/LS-DYNA模仿计算圆环形复合资料防撞护舷的碰撞动力学特性具有足够的牢靠性。


图1 圆环形防撞护舷截面构造图


碰撞模仿

1.防撞护舷构造型式

防撞护舷的设计应遵照不障碍航道的准绳,因而在保证防撞性能的状况下,应尽可能使防撞护舷的尺寸小。本文主要对内河航道1000吨船舶停止防撞设计,依据计算和桥梁的尺寸,将圆环形外观尺寸肯定为外圈直径Φ2500mm,内圈直径Φ1500mm。玻璃纤维芯柱平均散布, 消能板位置由其直径肯定。由于其直径的大小对防撞护舷的消能效果有一定的影响,本文将其作为设计变量,在优化后肯定其精确位置。圆环形防撞护舷的截面方式如图1 所示。为了便于装置、互换,设计的防撞护舷构造经过分段组装而成,分段长度6m。整个防撞护舷环绕桥墩一周装置,全景如图2所示。

图2 防撞护舷桥墩设置全景


2.船舶与防撞护舷碰撞有限元模仿

在船桥碰撞的数值仿真过程中,树立精确的有限元模型十分重要,但由于碰撞的复杂性常常不能依照实践构造树立有限元模型。因而,在满足船的强度需求的状况下对模型停止简化。本文对1000吨散货船停止船桥碰撞模仿, 模型构造依照实践船体构造尺寸停止树立,船的主要参数如表1所示,整个船体采用shell单元。防撞护舷有限元模型依据设计构造的变化停止树立,护舷板采用shell单元、芯柱采用beam单元,泡沫资料采用solid单元。由于碰撞接触在部分发作,产生的碰撞损坏也在部分,为了进步仿真速度, 防撞护舷的仿真模型简化为装置在桥墩上的一局部。而由于桥墩刚性大,在碰撞过程中变形小,对船、桥的影响较小,因而省略了桥墩有限元模型。在计算中对防撞护舷与桥墩的接触部位添加约束停止控制,由于护舷与桥墩是柔性衔接,因而护舷-桥墩之间碰撞力不大于船-护舷碰撞的碰撞力。图3为船正向撞击防撞护舷的有限元模型。


表1 1000吨散货船主要参数

图3 船正向撞击防撞护舷的有限元模型


经过设置单元类型、资料属性、接触算法及添加约束控制后,对船桥碰撞过程停止有限元模仿,图4为防撞护舷消能板厚度和芯柱直径均为3mm,消能板直径为Φ1800mm时的数值模仿结果,途中碰撞力为船-护舷碰撞的碰撞力。

(左)碰撞力曲线  (中)能量曲线  (右)撞击深度曲线

图4 1000吨货轮撞击护舷