桩土作用模拟方法对防撞桩动力响应特性的影响研究

文中建立了2 000 t级船舶与单桩碰撞的有限元模型,通过提取桩顶位移时程曲线及撞击力时程曲线,探讨了采用固定端约束模型、桩土面面接触模型两种不同桩土作用模拟方法对于船-防撞桩碰撞结果的影响.结果表明:船舶与防撞桩的碰撞过程经历了四个阶段,当桩土作用采用固定端约束模型时,响应特性受桩长影响较大,在一定条件下可用于等效模拟船桥碰撞、采用桩土面面接触模型能更加真实地反映桩土之间相互作用,桩埋深、船舶初始速度对桩动力响应具有较大的影响.

桩式桥梁防船撞设施设计方法研究

由于桩式防护装置基本上不与桥墩接触,撞击能量主要通过桩弯曲产生的水平变形承担吸收船体的动能,传统的撞击力控制防撞设计方法不太适用于桩式防撞装置.防撞桩主要考虑船舶撞击载荷,与现有桥梁桩规范设计中校核载荷不同.此外,从经济性角度在保障桥梁安全的情况下,防撞桩可以允许局部小的永久变形,如果采用桥梁规范对防撞桩进行设计会使结构尺寸偏于保守.通过参数敏感度分析选择优化参数,采用试验设计方法和有限元变分技术降低计算量,优化防撞结构的尺寸,并对最终方案采用显式有限元法分析船体对防撞装置的撞击过程,验证防撞装置整体设计方案的合理性.

波纹夹层吸能结构冲击响应试验研究

文中利用落锤仪对波纹夹层吸能结构进行横向低速冲击试验,基于试验结果讨论了冲击速度、填充情况等参数对波纹夹层结构冲击响应的影响。结果表明:波纹夹层吸能结构内部填充泡沫能显著减少结构变形,改变结构失效模式,在增大撞击力的同时,也会增加撞击持续时间,显著提高了结构的吸能性能.

船-桥梁浮式钢套箱碰撞数值模拟中的流场处理方法对比研究

采用Ansys/Ls-dyna对1 000吨级船舶与浮式桥梁钢套箱的碰撞过程进行了数值仿真,为了较精确地分析流场处理方法对数值计算结果的影响,分别采用流固耦合方法和附加质量系数法模拟碰撞过程中流场的作用,并对比分析两种方法下浮式钢套箱的碰撞力、撞深、竖向位移、内能变化等计算结果。研究结果表明,与采用附加质量系数法的结果相比,考虑流固耦合时防撞钢套箱的最大撞深较小而最大撞击力较大,且随着碰撞能量的增加,最大撞击力明显大于采用附加质量系数法的结果;因此对于桥梁的防撞钢套箱设计,常规附加质量系数法偏于危险,有必要用流固耦合法考虑流场的作用。另外,船体的撞击能量越大时,浮式钢套箱的竖向位移约束也越重要,可以通过设计浮式钢套箱的压载水,减小钢套箱在碰撞过程中的竖向位移,以提高其吸能效果。

桥梁防船撞夹层板结构形式耐撞性比较研究

夹层板结构作为桥梁防船撞套箱的主要防撞部件,其耐撞性的研究是有效提高防撞套箱防撞效果的前提.为探讨夹层板的最优耐撞结构形式,通过控制其他影响耐撞性的因素保持一致,采用有限元数值仿真方法对几种常见形式的夹层板进行碰撞数值仿真,分析讨论吸能、变形、碰撞力三个耐撞指标,比选得出X型夹层结构的耐撞型最优,再结合某长江大桥桥墩防撞套箱实例进行不同速度下的有限元碰撞过程仿真计算,与该桥原型套箱作对比分析.结果表明,所设计的X形夹层结构形式套箱具有良好的削减碰撞力能力,比原型套箱吸能能力更强,损伤变形更小,即吸能效率更高,耐撞性更优.

桥梁复合材料防车撞结构的耐撞性影响因素分析

设计了一种蜂窝型复合材料桥梁防车撞结构,以钢板和复合材料管壁厚度为设计变量,通过有限元方法计算,得到不同工况下车辆碰撞防车撞结构时的碰撞力曲线和结构总吸能.针对防车撞结构因存在多种材料而不便比较单位质量下能量吸收的情况,提出了比造价吸能(SEAc)的耐撞性评价指标.分析了防车撞结构钢板厚度及复合材料管壁厚度对碰撞力和比吸能的影响,并与车辆直接撞击桥墩的计算结果进行了对比.结果表明,从耐撞性的角度考虑,设计的复合材料防车撞结构中的钢板厚度及管壁厚度存在着最优厚度组合,采用该厚度组合时防车撞结构能在较低造价下提供良好的吸能效果,且桥墩所受的碰撞力满足我国规范的相关要求.

桥墩防船撞Y形夹层结构耐撞性研究

针对传统钢套箱吸能效果不明显的问题,设计了一种Y形夹层结构桥梁防船撞设施.建立防撞设施和船舶有限元模型,并对船舶撞击防撞设撞过程进行数值模拟.基于数值仿真分析结果,通过对比传统钢套箱和新型夹层结构防撞设施的耐撞性、结构损伤、撞击力折减.结果表明,新型夹层结构具有更好的耐撞性,撞击力对撞击位置不敏感,具有良好的防撞效果.

桥梁复合材料防车撞结构的参数灵敏度分析及耐撞性优化

设计了以纤维增强复合材料和蜂窝形结构形式为基础的桥梁防车撞结构.对结构设计变量进行了灵敏度分析,获得对结构的耐撞特性影响最大的3个设计变量.以灵敏度分析结果中的3个设计变量为试验因子,采用均匀试验设计方法获得了合理的样本空间,并借助非线性数值仿真方法和响应面法得到关于结构设计变量和比吸能、碰撞力的响应面代理模型,通过遗传算法优化出了比较合理的结构尺寸.结果表明,响应面的二次多项式线性回归模型比线性回归模型更准确,优化后的结构尺寸不仅具有优良的耐撞特性,可以满足桥墩设计抗撞力的要求,而且自重减小,从而降低了防撞成本.

群桩和浮箱结合的防船撞设施碰撞性能分析

文中针对设防桥梁自身抗撞力较弱的情况,设计了桩式防撞结构,避免船舶与桥墩之间的接触以保护桥墩.此外,在群桩外部设置自浮式套箱,减小船舶撞击对群桩的损伤,同时满足水位落差较大的情况.为了提高防撞套箱的耐撞性,内部结构采用X夹层.采用显式有限元法模拟船舶撞击防撞设施的过程,分析了防撞结构的耐撞性、变形,以及桩所受的力.结果表明:所设计的防撞设施具有较好的吸能效果,能达到保护桥梁的目的.

船-桥碰撞力影响因素与防船撞套箱耐撞性分析

跨航道桥梁存在船撞风险,因此有必要研究桥梁船撞安全性.采用非线性有限元模拟了船-桥碰撞过程,讨论了船舶速度和吨位对撞击力的影响.根据桥梁特点设计了复合材料夹层防撞结构,并采用数值方法模拟了船舶、防撞结构和桥梁之间的相互作用,分析了碰撞过程中防撞结构的形变和失效机理.计算结果显示,防撞设施内部蜂窝型夹层结构提供了较好的受力传播路径,具有较好的耐撞性,浮式套箱使桥墩所受船撞力大幅减小,能够很好保护桥墩和船舶.

桥梁浮式钢围堰船舶撞击动力响应分析

钢围堰作为临时性围护结构,在桥梁建成后应予以拆除。在具有大水深、水位落差大等情况的库区,承台也有被撞击的可能性,需要进行防护。为了节约成本,提出利用双壁钢围堰作为防撞设施的方案。为了提高吸能和抗撞性能,在钢围堰内部填充复合材料。通过钢结构和复合材料的压溃变形来吸收撞击能量,对承台起到保护作用。采用显式有限元方法建立了承台、船舶和防撞设施模型,模拟船舶撞击承台和钢围堰的碰撞过程,分析了钢围堰对船舶撞击力的消减情况。应力、变形和能量耗散等数据表明该方案在船撞情况下能较好防护桥梁。

桥梁防撞夹层吸能结构的船舶碰撞性能及损伤研究

本文根据乌龙江大桥的基本情况、防撞等级要求,设计了加筋板、波纹夹层和填充泡沫的波纹夹层防撞套箱三种形式.建立船舶、防撞结构、桥墩的有限元模型,采用数值方法模拟船舶撞击防撞结构的动态过程.对比分析三种防撞套箱在船舶撞击下的撞击力、结构变形和能量吸收性能.结果表明:在钢套箱外面增加夹层结构,可明显提高吸能能力,减小防撞结构的损伤.

铝合金波纹夹层板在低速冲击下的耐撞性研究

基于数值模拟仿真方法,讨论了撞击速度、波纹核形状与界面连接情况对铝合金波纹夹层板的耐撞性的影响.计算结果表明,在撞击速度较低时波纹夹层板有很好的缓冲效果,撞击速度小于5m/s时撞击力峰值不会有太大波动;波纹核形状为三角形的波纹夹层板的吸能保护效果优于波纹核形状为梯形与弧形的夹层板;撞击速度小于4.3m/s时,夹芯层与上层面板未连接时的撞击力峰值要小于连接时的情况但会出现较大的变形,而撞击速度大于4.3m/s时夹芯层与上层面板未连接时的撞击力大于连接时的情况,且撞击速度越大两者差距越大.

防船撞蜂窝式复合材料夹层板的耐撞性研究

钢蒙皮-折叠金属薄片夹芯或复合材料夹芯式夹层板在桥梁防船撞领域被广泛使用.基于数值仿真方法,考虑冲头穿透与未穿透的2种情况下,对钢蒙皮-蜂窝金属薄片夹芯、蜂窝玻璃纤维增强塑料夹芯这2类夹层板在低速冲击载荷下的动态响应、吸能效果和损伤特征进行对比分析.计算结果表明,玻璃纤维增强塑料夹芯式夹层板抗撞击力最大,撞深大于金属薄片夹芯式夹层板;玻璃纤维增强塑料夹芯提高了整体结构的刚度,不利于通过整体结构弹性变形吸收更多的能量;在冲头穿透夹层板过程中,玻璃纤维增强塑料夹芯出现大面积的破裂,吸能效果明显低于金属薄片夹芯.

波纹夹层结构耐撞性影响因素分析

波纹夹层结构广泛应用于防撞设计中,对不同焊接及填充形式下波纹夹层结构的耐撞性能的研究,可为实际工程中焊接及填充形式的选取提供依据.基于有限元仿真方法,讨论了不同焊接形式及PVC泡沫填充形式的波纹夹层结构在冲击荷载作用下的耐撞性能.结果表明,在夹层结构极限冲击能量范围内,夹芯层与面板未焊接条件下的耐撞性能较优,但夹芯层与面板焊接条件下夹层结构所能吸收的冲击能量远高于未焊接条件;全部填充的波纹夹层结构吸能最多撞深最小,但碰撞力峰值过大,不利于夹层结构的保护作用;迎撞面填充的波纹夹层结构吸能效果优于背撞面填充.

船首交叉单元压溃力的简化解析计算及应用修正

现有的评估船舶在碰撞时压溃力的简化解析公式中,针对倾斜单元的强度缩减因子仅适用于含有小倾斜单元的球鼻结构。论文首先通过简化解析解和有限元准静态仿真的比较,验证了交叉单元简化解析公式对典型交叉结构的适用性。通过对船首的简化解析计算结果与准静态压载仿真结果的比较,发现当倾斜单元的倾斜角大于40°时,现有的倾斜角有效压溃距离与强度缩减因子已不再适用。为此,针对大倾斜角单元,基于几何折算的原理修正了有效压溃距离和强度缩减因子,并验证了其有效性。

复合材料柔性消能限高架结构的碰撞响应研究

限高防护架多采用固定式刚性结构,易造成车辆的损害,危及乘员安全.从减少车辆损伤和保障人员安全的角度出发,对现有的传统限高架形式进行了改进,即以带斜坡设计的复合材料箱型横梁替代原结构的钢横梁,并采用ANSYS/LS-DYNA对车辆复合材料柔性消能限高架及传统限高架的碰撞过程进行了数值模拟,获得了碰撞系统的碰撞损伤变形、碰撞力-撞深,以及驾驶室加速度响应等结果.结果表明,与传统刚性限高架结构相比,改进的复合材料柔性消能限高架结构避免了车辆被切削顶部的情况,使得车辆的损伤变形明显减少,人员伤亡的可能性明显降低;柔性消能限高架的复合材料横梁可以更好地吸收车辆的动能,同时极大地降低车辆驾驶室的加速度,从而更好地保护乘员的安全.

防船撞夹层结构冲击试验研究

传统的单层结构吸能效果差,而且撞击力对船舶撞击点很敏感.文中对具有良好耐撞性的Y形夹层结构进行冲击试验,研究其冲击响应,为该结构形式在防船撞吸能设施的应用提供试验数据参考.为了适用于大尺寸模型,采用了一种能够避免二次撞击的试验系统,并开展Y形夹层结构的冲击试验.使用安装在撞击锤后端的加速度传感器和高速摄像机测量加速度和速度时间历程,并转化为出冲击力位移关系.根据试验结果分析,夹层结构在不同冲击位置下的响应.撞击在面板和腹板的撞深差别很大,但最大撞击力主要取决于整体横向刚度.

桥梁复合材料防车撞吸能结构碰撞性能分析

针对在桥墩周围安装吸能结构可以降低车辆撞击对桥梁的情况,基于全尺寸复合材料吸能结构的台车撞击试验,通过对比试验和数值模拟结果验证有限元模型的有效性.在此基础上,考虑实际中更高撞击能量的情况,采用有限元方法分析不同撞击速度的吸能结构响应,并研究不同结构材料的耐撞性能.钢夹层结构能够吸收大部分动能并有效减小局部损伤,而复合材料蜂窝结构可以起到很好的支撑作用,同时把撞击力比较均匀地分散到整体结构,使更多结构参与吸能.计算结果表明钢夹层-蜂窝复合材料防车撞吸能结构具有良好的耐撞性能.

桥墩复合材料防车撞结构碰撞性能试验研究

针对桥墩车辆碰撞的问题,设计了钢夹层和蜂窝复合材料相结合的桥梁防车撞吸能结构.为研究耐撞性能进行了材料性能试验和全尺寸防撞结构的碰撞试验,试验得到最大碰撞力为547.6 kN.通过对比试验获得碰撞响应与规范设计值,得出试验结果满足碰撞条件容差要求,可用于后期的数值模型验证,为类似吸能结构的设计提供参考.钢夹层-复合材料桥梁防车撞吸能结构可以减小桥墩的局部损伤和整体破坏,从而达到保护桥墩的目的.