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船桥碰撞理论及猎德大桥防撞装置的性能研究

罗琳  
【摘要】: 随着交通运输业的蓬勃发展,跨海和通航江河的大型桥梁建造的越来越多;与此同时,世界船舶也进一步大型化、高速化。随之而来的是,船舶撞击桥梁的灾难性事故日益增多,事故所导致的人员伤亡、财产损失以及环境破坏也更加惊人。因此,近年来船桥碰撞机理特别是桥墩防撞装置的研究得到越来越多的关注。 船舶与桥墩防撞装置的碰撞是两者在很短的时间内相互作用的一种复杂的非线性动态响应过程。碰撞过程中的不确定性因素颇多,几乎不可能通过建立一个精确的数学模型而使两者的碰撞问题得到完全的解析。因此,随着非线性有限元技术的日益完善和计算机硬件水平的不断提高,碰撞的数值仿真方法越来越成为解决船桥碰撞相关问题的有效途径。 本文在总结已有的船桥碰撞研究成果、分析桥墩各种防撞装置特点、进一步探讨船桥碰撞机理的基础上,针对猎德大桥9#桥墩的结构特点、水文特点和通航特点,提出了角钢支承的环形钢管架的防撞装置形式,并进行了设计。根据显式瞬态非线性有限元分析技术,用ANSYS/LS-DYNA软件对船桥相撞全过程进行了仿真模拟,结合参数分析,研究防撞装置和桥墩的防撞性能,提出了改善结构耐撞性与吸能效果的相关措施。全文主要的研究工作如下: 1.总结和归纳了船桥碰撞机理研究的发展历程,对这些机理进行了比较和分析,并提出了船桥碰撞机理的发展方向。 2.概括了防撞装置的设计要求和分类,介绍了六种防撞装置的工作原理、适用范围及各自的优缺点,为猎德大桥9#墩量身定做防撞装置。 3.研究和讨论了船桥碰撞数值仿真中所涉及的基本理论和关键技术,分别对显式时间积分、材料动力特性、沙漏以及接触等问题进行了专题研究。 4.采用显式瞬态非线性有限元分析技术对船与带有防撞装置的桥墩碰撞过程进行成功的数值仿真分析,碰撞的整个时间历程得以全面的模拟实现,考察了碰撞时程中防撞装置及桥墩的损伤、碰撞力、能量、变形、应力等变化情况,分析其碰撞性能。 5.对防撞装置进行参数分析,得出此种防撞装置在直角正碰撞情况下圆管钢和角钢尺寸变化对吸能效果的影响、撞击深度与船舶的初末动能的关系、平均碰撞力与船舶动能的曲线关系;并且得出此种防撞装置在直角正碰撞情况下撞击速度的变化对防撞装置碰撞力、吸能、撞深的影响,提出了改善结构耐撞性与吸能效果的相关措施。


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