船舶与船闸闸室结构撞击力分布的有限元机工程管理仿真分析

本文介绍了船舶碰撞的特点及国内外研究成果，学习并了解了有限元分析的理论与方法，随后本文运用大型显式动力非线性有限元软件 ANSYS/LS-DYNA，并依托实际船闸工程，分别建立起船舶与整体式船闸和分离重力式船闸碰撞的三维有限元模型，在此基础上进行碰撞模拟，分别分析在不同闸墙厚度、不同闸墙材料性质情况下撞击力的分布特性以及分布长度规律，总结得出船舶撞击力的分布特征。

第一章 绪论1.1 选题依据及研究意义内河运输作为一种环保的运输方式，具有能耗低，成本少，运量大等优点。近年来，随着国民经济的不断发展，区域间的物流量不断增大，水路运输的重要作用日益彰显。在内河航运中，航道是水运的基础设施，船闸则是航道的咽喉。因此船闸作为一种最主要的通航建筑物，船闸营运的安全稳定显得尤为重要。随着货运量、船舶运载量及吨位的逐渐增大，船闸运行的频率也在不断增加。与此同时，船闸结构的耐久性也受到了严峻的考验[1]。船舶在进出闸室及在闸室内等候过闸期间，因为驾驶操作原因或者一些不可避免的因素，船舶会与闸室墙产生碰撞和摩擦，致使水工建筑物混凝土墙面磨蚀、开裂以至脱落，有的甚至已经严重影响到船闸水工建筑物的安全和使用寿命[2]。船舶碰撞力作为作用在船闸结构上的主要荷载之一，一般认为在船舶与闸墙结构碰撞过程中，船舶碰撞力的方向是垂直于船闸闸墙表面并沿闸室长度方向上线性分布，其分布长度也有相应规定[3]。但是由于船闸结构形式、厚度以及材料特性的不同，目前采用的计算假定和计算公式很难反映其间的差异，且结构应力、应变等动力响应和分布特征规律也不得而知。所以为了全面地分析这个问题，就必须借助于有限元分析方法。现阶段有限元方法在结构研究分析中的应用日趋成熟稳重，并且随着科学理论的进步和计算机水平的不断提高，通过数值模拟技术研究船闸闸室结构问题也愈来愈普遍。因此，船舶与闸室结构撞击力分布问题是值得深入分析并具有重要意义的研究课题。本论文拟分别建立船舶--闸墙整体式结构和分离式结构的三维有限元仿真模型，分析在不同闸墙厚度、不同闸墙材料性质下碰撞力分布情况，以及相应的结构动力响应，力求寻得其分布规律，为船闸设计提供一定参考。........1.2 国内外研究现状和发展动态对于船舶撞击力的研究，早在上个世纪中旬就已经开始了。到目前为止，对于船舶碰撞的研究已经得到了飞速发展，海内外专家学者针对该课题也取得了较多的研究成果。船舶碰撞的计算理论以及方法最早首先有 Minorsy 的船舶碰撞理论、Heins-Derucher 理论，再到后来的数值解法、简化解析法、试验研究方法和有限元仿真计算方法等。Minorsy 首先在《ournal of Ship Research》上发表了此文是关于核动力船舶碰撞分析的研究论文，其研究的主要目的是为了防止船舶在碰撞或者搁浅事故中受到严重的损伤。他在研究了船舶的碰撞之后，提出了著名的米诺斯基公式[4]。米诺斯基理论自 1975 年公开发表后，已被众多实验所证实，并被逐渐应用到船-桥碰撞领域，奠定了船-桥碰撞理论的分析基础。在 Minorsy 碰撞理论的基础上，德国联邦学者 G.Wosin 教授在 1976 年至 1979 年期间做了一系列模型实验和理论研究工作，充实和发展了 Minorsy 理论，并将其应用到船-桥墩撞击分析中[5]。在此之后，Heins 和 Drucher 教授又根据 CG-71955-A 合同做出的研究提出了 Heins-Drucher 理论[6]，其研究的主要目标是船舶与桥墩或防护系统的碰撞，是Wosin 理论的简化。Heins-Drucher 理论将船舶-结构及结构防撞设施等效为一个弹簧质量系统，以此建立能量交换系统。该理论由于考虑了碰撞过程中的船舶的复杂运动行为，所以能有效地反映船舶与结构在碰撞过程中的动态耦合效应。在船-船碰撞理论基础上，衍生了数值解法。在数值解法中，最具代表性的方法就是 Petersen 方法[7]和梁文娟计算方法[8, 9]。在 Petersen 方法中，船舶碰撞运动被归结为水平方向的二维问题：而梁文娟计算方法是比较有代表性的数值计算方法，她考虑了碰撞中船舶的六个自由度的运动情况：横摇、横漂、摇首、纵倾、升沉、进退。这种方法采用切片法计算流体动力，将碰撞力以贯入量的非线性函数来表示，并且通过六根非线性弹簧描述碰撞区结构的内部机理。简化解析法是用几种简易模型来分别表示船舶的各个结构部件，并且给出这些简化模型损伤力和变形能的理论公式，最后再进行整合得到总的船舶结构的碰撞损伤力和能量。DEXTRA、Ge Wang 程序[10]等都十分适宜这种非耦合理论。.........第二章 碰撞响应分析的基本方法与理论2.1 引言碰撞是两个相对运动的物体接触并迅速改变其运动现实的现象，在动力学上通常表现为结构物在受到随时间变化的荷载作用下而作出的一系列响应过程。在碰撞的同时，必然会伴随着接触的发生，在碰撞双方未产生破坏时，一般来说接触面上两个物体是不会互相侵入的。接触-碰撞是一种复杂的非线性问题，当发生碰撞时，垂直于接触界面的速度又是瞬时改变的，因此碰撞响应过程也不能从一而论，需要根据不同情况分析判断。接触-碰撞问题的这些特性都给碰撞基本理论中离散方程的时间积分求解带来了较大的困难[30]。因此，为了保证分析计算结果的准确性和可靠性，针对碰撞这类特殊的动力学问题，必须选择合适的方法和积分算法。.........2.2ANSYS/LS-DYNA 简介LS-DYNA 作为一款大型通用显式非线性动力分析软件，其强大之处在于能够真实准确的模拟现实中各种复杂的几何非线性、材料非线性和接触非线性等问题，因此在世界范围内的得到十分广泛的应用。除此之外，LS-DYNA 还涉猎各种二维、三维结构的碰撞、爆炸和金属成形等非线性动力冲击问题。对于一些流体、传热及流固耦合问题，也可以通过 LS-DYNA 来解决[31]。LS-DYNA 的基本原理是以 Lagrange 算法为主，辅之以 ALE 和 Euler 算法；主要为显式求解，并兼有隐式求解功能；以结构分析为主，也包含热分析、流体-结构等耦合功能；以非线性动力分析为主，也兼有静力分析功能；无数次实验结果证明它的计算结果是十分可靠的。因此，在碰撞问题研究领域中被认为是一款极佳的工程运用分析软件[32]。在 LS-DYNA 软件中不仅可以进行热分析、流体分析，还可以进行非线性动力学分析、多刚体动力学分析；不仅可以支持结构-热耦合分析，对于有限元---多刚体动力学耦合分析、多物理场耦合分析等也有所涉及；不仅有计算分析，还有裂纹扩展分析；不仅可以对设计方案进行优化，还可以对设计结果并行处理。.........第三章 基于 LS-DYNA 的有限元建模及验证.... 273.1 引言......... 273.2 船舶计算模型.... 273.3 整体式船闸模型的建立......... 323.4 分离式船闸模型的建立......... 4133.5 本章小结........... 46第四章 船舶与整体式船闸碰撞力分布特性........484.1 引言........ 484.2 整体式船闸结构碰撞的整体动力响应分析.......... 484.3 闸墙不同厚度下的撞击力分布........ 594.4 闸墙不同材料下的撞击力分布........ 654.5 本章小结........... 73第五章 船舶与重力式船闸碰撞力分布特性........745.1 引言....... 745.2 重力式船闸结构碰撞的整体动力响应分析......... 745.3 闸墙不同厚度下的撞击力分布........ 805.4 闸墙不同材料下的撞击力分布....... 865.5 本章小结.......... 93第五章 船舶与重力式闸墙碰撞力分布特性5.1 引言船闸闸室结构通常分为整体式和分离式两种结构类型。土基上分离式结构型式又有重力式、扶壁式、悬臂式和板桩式等多种结构。其中重力式、扶壁式和悬臂式为工程应用中较广泛的结构型式。在上一章节中已经研究了整体式闸墙的碰撞特性，本章节将继续研究船舶与分离式闸墙结构碰撞力的分布特性，并将研究成果与整体式闸墙进行对比分析。由于分离式船闸种类繁多，鉴于论文时间的限制，本文选取重力式结构作为研究对象。选取闸墙表面几个代表单元，提取其各时刻的等效应力值，绘制如图 5.4 所示时程曲线。结合图 5.1~5.4 分析可知：（1）撞击接触过程为 0.50s~0.54s，在撞击瞬间，撞击点附近区域形成等效应力集中现象，但是分布范围较小。从 0.50s~0.52s，随着船舶的正向运动及应力的传递，碰撞产生的等效应力范围不断扩大。（2）在 0.52s 时，船舶撞击力值达到最大，其等效应力值也达到峰值。0.52s后船舶开始反向运动，结构等效应力开始减小，与此同时等效应力在闸墙表面不断扩散，闸墙长度方向扩散现象尤为明显，并且在闸墙内部也形成了小范围的应力集中响应。（3）碰撞进行到 0.56s，此刻船舶与闸墙已经分离，撞击过程结束，但闸墙内部仍有等效应力集中现象，闸墙表面应力分布较为均匀。（4）由图 5.4 可以明显看出在碰撞过程中各代表单元的等效应力值时程变化规律基本相同，在 0.50s~0.54s 时（接触碰撞过程）有一段突变，且靠近撞击点的单元应力值要大一些。随着碰撞过程的结束，各代表单元应力值也趋于稳定，变化相对平缓。.........结论本文介绍了船舶碰撞的特点及国内外研究成果，学习并了解了有限元分析的理论与方法，随后本文运用大型显式动力非线性有限元软件 ANSYS/LS-DYNA，并依托实际船闸工程，分别建立起船舶与整体式船闸和分离重力式船闸碰撞的三维有限元模型，在此基础上进行碰撞模拟，分别分析在不同闸墙厚度、不同闸墙材料性质情况下撞击力的分布特性以及分布长度规律，总结得出船舶撞击力的分布特征。论文的主要结论如下：（1）船舶与船闸结构发生碰撞时会在撞击点附近区域形成很大的应力集中，并且随着碰撞时间的推移，应力会发生传递现象。对于整体式结构，应力集中区域会向闸墙与底板连接处传递，而对于分离重力式结构，应力集中区域会向闸墙内部传递。（2）在碰撞过程中，船舶撞击力会在闸墙表面形成以撞击点为顶点的三角形分布区域。在撞击点以上形成受压区，应力值为负，在撞击点以下形成受拉区，其应力值为正。对于分离重力式结构有一点不同的是，当撞击点高度较小，也就是撞击截面闸墙厚度较大时，撞击力仅存在受压区，不存在受拉区。（3）本文分别模拟了船舶与整体式和重力式船闸碰撞的过程，分别研究了不同闸墙厚度对撞击力分布特性的影响。一般来说，对于撞击点以上分布区域，闸墙厚度越小，撞击力分布长度越大，闸墙厚度越大，其分布长度越小，而对于撞击点以下撞击力分布长度则变化不大。且由于闸墙型式的不同，撞击力的分布长度也不尽相同，一般说来，不论是在受压区还是在受拉区，重力式结构的撞击力分布长度要比整体式结构稍大。（4）分别研究不同闸墙材料对于撞击力分布特征的影响，发现当闸墙采用素混凝土时，尽管增加混凝土的强度，撞击力的分布长度变化不大。而当采用钢筋混凝土结构时，闸墙表面应力值出现了显著增大，并且撞击力沿闸墙长度方向分布长度明显变小。当采用浆砌块石结构模拟时，闸墙表面应力值持续增大而分布长度继续减小。总结来说随着闸墙材料强度的增加，撞击力分布长度也随之变大，闸墙结构型式的不同对分布长度也有影响，重力式闸墙撞击力分布长度要长一些，且总体规律保持一致。..........参考文献（略）