船舶与桥墩碰撞力计算及桥墩防撞

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1、船舶与桥墩碰撞力计算及桥墩防撞梁文娟金允龙陈高增（上海船舶运输科学研究所）[摘要］对船舶与桥墩碰撞动力学理论进行了讨论，提出船舶碰撞模拟计算方法，进行实例应用，并对桥墩防撞问题进行了初步讨论。关键词船舶桥墩碰撞计算桥墩防撞一、概述横跨在航道上的桥梁，可能遭受船舶碰撞，为了抵抗船撞力，桥墩的设计必须考虑船撞力的作用。船舶碰撞桥墩时的撞击分析涉及许多因素，其中主要的是船舶类型、航行速度、撞击角度等。在最近几十年有很多方法研究船舶碰撞载荷，但大部分这些方法的基础是两个经典的研究。一个是由Minorsky在1

2、959年提出的［l］，Minorsky曾为设计美国核动力船舶系统地研究了船舶的碰撞。第二个基本研究是Woisin［2」在1967～1976年间为了设计原子能船的保护结构，进行了一些高能船舶碰撞模拟试验。一些学者将船/船碰撞也应用于船舶撞击桥梁，因为它们有相同的机理。碰撞特性是与碰撞情况有关的，即较大的碰撞和较小的碰撞有不同的特性。但这对不同的船舶又有不同的概念。一般，碰撞时如船壳极发生严重的凹陷，但单体船的外板或双体船的内壁未发生裂缝，则分类为较小的碰撞（也即低能量碰撞）。如碰撞引起大的非弹性变形和船

3、壳板的破裂，则就是大的碰撞。对不同类型的碰撞，由于结构的响应不同，使用的分析方法也有差别，主要是在分析内部机理方面有不同的方法。例如，屈服一破坏形式用来研究较小的碰撞，而侵入一破坏形式用来研究较大的碰撞。船舶碰撞的试验研究是很复杂的课题，对模型试验来说，船舶的碰撞还包括大量的非弹性性能和非线性影响，相当尺度难以做到。如软钢是对应变率敏感的材料，对各种结构构件的动塑性响应有重要的影响。AKita[3]等进行了一些理想的静和动的船舶碰撞模型试验，观察到动行试验吸收的能量大于相应的静荷试验的结果，这是由于材

4、料应变敏感率的影响。了解船舶碰撞机理，最好的方法是进行全尺度的试验。这可以用旧船进行实船碰撞试验，或收集实际船舶碰撞的数据。虽然实际碰撞事故常常发生，碰撞背景却通常不知道，碰撞力作为穿透和时间的函数也很少记录过。在旧船上进行全尺度试验的费用是非常昂贵的。因此模型试验仍然是研究碰撞问题的基本实验手段，模型试验的结果为检验分析方法提供了比较基础。为了研究船舶和桥墩的碰撞，需要明确碰撞的动力过程。二、碰撞机理船舶和桥墩的碰撞可视为船/船相撞的特例。两艘船舶在碰撞时，速度发生突然改变，同时两艘船舶的结构也发生

5、变化。弱的结构将挠曲变形、压坏、穿透或撕裂。从能量转换的观点，在碰撞时发生动能的消失，部分失去的功能消耗于船舶的运动和碰撞冲击时周围水的运动，部分由结构的弹性和塑性变形或结构撕裂所吸收。碰撞时结构的响应，通常仅为问题的内部机理。这问题的解包括能量吸收能力和碰撞结构碰撞冲击抗力的计算。这问题是非线性的和动力的，包括弹性和塑性变形，结构的崩溃和破裂，以及迅速改变的边界条件。船舶和周围水的运动的预报是属于外部机理的问题。因为两艘碰撞船和周围水之间复杂的相互关系，外部机理问题也是复杂的。1．内部机理碰撞时两相

6、撞船舶的结构响应机理能简要地描述如下：当被撞船A和碰撞船B发生碰撞时，碰撞力F是两船接触区域刚度的函数，如A的结构是弱的，它的局部结构将变形、破坏和穿透。接触区域的几何形状将改变。这又将引起碰撞力大小的变化。同时，碰撞船的局部结构也可能发生变形、破坏或穿透。要求解结构响应，在变形结构中的每一时刻必须满足平衡、相容条件，要满足力和位移边界条件，应力一应变关系要满足弹性和塑性理论。鉴于船舶结构的复杂性和复杂的方程组，求解方程组极其困难。国际上进行碰撞研究也大量采用数值方法和近似理论方法。数值方法要求适用于

7、弹性应变敏感的结构，因为结构承受大的位移、大的应变、屈服和破裂。但对弹塑性材料的多维本构方程的形式，甚至对静态问题也是不太清楚的。还有另外一些不确定的问题，如塑性屈服结构上切力的传递，弹塑性问题的收敛性，结构的动荷疲劳等。因此不可能得到实际船舶问题的精确的数值解，很多学者研究各种简化，求得理想情况的数值解。对船舶碰撞结构分析的近似方法是将结构看成是一些已知响应的较简单构件的组合，这些构件的响应可应用理论方法或应用经验公式。通过这些计算可得到对标准的船艄和船测结构准静的冲击力一穿透以及能量吸收一穿透的特

8、性。这些近似方法和数值计算、实验结果相比较，有合理的一致性，符合工程设计需要。对碰撞时船舶结构的g＠应的分析，有采用Minorsky或改进的Minorsky方法估算结构损坏【1】【4】，也有用一非线性简化的有限元方法决定被撞船侧的刚度特性【5】，在船舶和平台结构碰撞的分析中，平台结构通过引进塑性铰的概念，用简化的塑性模型的有限元法分析平台结构[6]。进一步用塑性结点法将大变形、塑性和梁柱单元的应变硬化计入于弹性大位移分析中，得到局部有凹陷的管构件和三维梁