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
赵维立 蒋超 周宣伊 刘涛维 方明霞
摘要：采用有限元法对某3 000 t船舶与桥梁防撞护舷碰撞的动力学特性进行分析.通过将护舷试样的碰撞试验与有限元计算结果进行对比，完善该防撞护舷的有限元模型，使其更可靠.用ANSYS/LSDYNA模拟3 000 t船舶撞击3种不同护舷（D型、圆环型和板型）的过程.不同护舷吸能结果表明：对于D型护舷，船舶会碰到桥墩，失去作用；对于板型护舷，船舶变形严重；圆环型护舷的效果最好.
关键词：桥梁； 护舷； 船舶； 碰撞； 复合材料； 动力学特性； 非线性有限元
中图分类号： U441.4 文献标志码：B
Abstract：The finite element method is used to analyze the collision dynamics characteristics of 3 000 t ship while it collides with bridge anticollision fender. To perfect the finite element model of the anticollision fender and make it more reliable， the experimental results of the fender sample are compared with the finite element calculation results. ANSYS/LSDYNA is used to simulate the process of the collision of 3 000 t ship with three types of fenders（Dtype， ringtype and platetype）. The energy absorption results of these different fenders show that， the ship could impact the bridge pier while the fender is Dtype， which would be out of action； the deformation of the ship is serious while the fender is platetype； the ringtype fender are the best.
Key words：bridge； fender； ship； collision； composite material； dynamics characteristics； nonlinear finite element
0 引 言
虽然桥梁本体设计时一般要求能够承载一定的冲击，但若桥梁不设防撞装置，则船舶与桥梁碰撞时将直接与桥墩接触，由于二者的刚度均较大，不能通过变形吸收能量，会对桥墩产生极大的撞击力，极易造成船毁桥塌事故.[1]为桥梁设计合适的防撞护舷装置，通过吸收撞击能量降低船舶对桥墩的撞击力，对于船舶和桥梁的安全有非常重要的现实意义.
传统的桥梁防撞护舷多采用钢制金属材料或橡胶材料，不少专家学者对二者进行比较深入的研究.李元音等[2]提出用有限元非线性分析方法对码头橡胶护舷进行设计，改变单纯依赖实体试验或物理模型获得护舷力学性能的方式.李干华等[3]研究M型、D型、CY型和鼓型橡胶护舷防撞装置，并从产品结构、力学性能、安装维护和成本价格等方面进行相关的比较分析.张峰[4]以东海大桥为工程背景，总结现有规范、计算理论及计算公式的适用条件，提出适合跨海大桥撞击力的计算公式和计算方法.蒋致禹[5]结合非线性有限元仿真，研究橡胶护舷和钢质护舷在冲击作用下的变形失效，并根据耐撞性指标对钢质护舷进行优化设计.然而，不论是钢制金属材料还是橡胶材料，二者都存在一定的缺陷，前者较为笨重，安装使用不便，容易因腐蚀而造成性能下降，后者则有易老化的问题.
与传统金属材料和橡胶材料相比，复合材料具有更好的耐久性和抗腐蚀能力，吸能性能更强，压溃载荷分布也更均匀[68]，因此对复合材料防撞护舷进行研究具有重要意义.王宝来等[9]根据复合材料的特点以及基体、增强相、截面和工艺等对复合材料强度的影响，阐述复合材料的宏观强度理论中不同准则之间的差异和特点以及失效破坏准则.复合材料在撞击作用下变形过大会发生基体失效、纤维失效、纤维基体剪切失效、分层等不同形式的局部失效.这些局部失效的产生与扩展将会使复合材料结构的承载能力降低并导致最终破坏.[10]本文以复合材料内填耗能闭孔泡沫材料构成的防撞护舷为研究对象，采用ANSYS仿真计算方法在LSDYNA平台上研究3种复合材料防撞护舷结构在3 000 t船舶撞击载荷作用下的动力学特性，计算结构在碰撞过程中产生的位移、速度、应变能和最大碰撞力等，以满足使船撞力降低到52.4%以下的设计要求.
1 防撞护舷理论计算与试验结果对比
为得到护舷的单元类型和材料属性，进而得到精确的有限元模型，需要对护舷试样进行碰撞试验和有限元仿真计算.
试样模型见图1.试样表面由玻璃纤维聚酯复合材料包覆，上下表面的尺寸均为360 mm×390 mm，厚度为20 mm；内部填充物为聚氨酯泡沫，在厚度方向上通过9根直径为5 mm的柱形玻璃纤维复合材料加固稳定.在靠近试件边缘部分贯穿试件厚度方向打直径10 mm的孔，通过定位销帮助试件在夹具上定位固定.试样仿真模型见图2.
在仿真计算中，选取LSDYNA库中的Plastic Kinematic材料模拟玻璃钢板，选取Power Law材料模拟低密度聚氨酯泡沫材料；通过设置碰撞刚性球密度调整刚性半球质量，进而改变初始动能；通过调整材料模型的密度、弹性模量和初始屈服强度等参数得到不同的仿真计算结果.运用有限元计算后处理软件LSPrePost处理ANSYS/LSDYNA计算结果，得到碰撞力和碰撞能量时程曲线，见图3和4.
采用Instron CEAST9350HV试验机（见图5）通过落锤自由落体势能转化的动能冲击试件.先预估试件可承受的能量值进行试验，将未穿透试件的能量值作为参考，然后再设定能穿透试件的能量.
试验通过仪器直接得到的数据为撞击瞬间落锤的动能（即冲击能量）E0，该瞬间落锤的速率V0和落锤之后锤头的力F与时间t的关系（采集频率为1 MHz）.落锤试样之间的撞击力和碰撞能量与时间的关系曲线见图6和7.
对试验结果与仿真结果进行对比，发现碰撞力
的响应过程非常相似，仿真计算较好地反映碰撞过程中碰撞力的变化特性.对比仿真与试验的能量时间曲线，发现二者的变化过程一致，但碰撞内能的试验结果偏大.产生该误差的主要原因是试验过程中冲头最终会静止，系统认为动能完全转化为试样内能，而在仿真计算中，球体碰撞结束后将发生反弹，球体会带走部分动能而无法传递给试样.
总体说来，试验和仿真结果在工程容许的误差范围内，说明采用ANSYSLS/DYNA模拟计算新型复合材料防撞护舷的碰撞动力学特性具有足够的可靠性.
2 护舷实体结构碰撞动力学特性分析
为计算设置防撞护舷后最大碰撞力的许用值，首先需要计算未加防撞护舷时船桥之间的最大碰撞力.影响船桥撞击力的因素很多，主要包括船型、船舶排水量、船舶尺寸、行驶速度以及桥墩的尺寸、形状、强度、弹性性能等，因此理论计算非常复杂.[10]目前，国内外根据各国的实际情况采用不同的计算规范，且多是以试验为基础，对试验结果进行理论推导后得出的，因此在指定的应用范围内具有很好的适用性.[11]常用的规范包括国外的AASHTO规范、欧洲规范和Woisin修正公式以及我国的公路规范和铁路规范.本文以欧洲规范为标准，得到未加防撞护舷时3 000 t船舶要求的最大碰撞力为52.32 MN.设计目标为采用复合材料防撞护舷后船撞力应降低到原来的52.4%以下，因此设置防撞护舷后最大碰撞力的许用值取为27.42 MN.
根据相关资料，采用3 000 t船舶模型（见图8），带有球鼻艏，总长为69.8 m，宽度为12.8 m.
在ANSYS/LSDYNA平台上分别模拟3 000 t船舶以3.9 m/s的速度撞击D型、圆环型和板型护舷的碰撞动力学过程.
2.1 D型护舷碰撞特性分析
3 000 t货船撞击D型护舷示意见图9.护舷外形尺寸为4.0 m×2.5 m，半径为2.0 m.护舷外壳板厚度为5 mm，芯柱直径为5 mm，外壳与内部之间以玻璃纤维板分隔，结构内部填充聚氨酯泡沫作为耗能材料.
经有限元计算，获得撞击后护舷变形见图10.
防撞护舷碰撞过程的能量变化曲线见图11和12.在碰撞接触变形最大时刻1.63 s时，动能下降接近为0，变形能与摩擦能占总能量94.3%.防撞护舷在整个碰撞过程中通过自身的变形吸收大部分能量，起到既保护桥又保护船的目的.碰撞过程沙漏能大致控制在总能量的4%以下，表明计算具有较高的精确性.从图12可以看出：护舷吸收大部分能量，船首变形较小，说明对船舶的防护效果较好.
护舷模型几何中心在碰撞过程中沿碰撞方向位
移变化过程见图13.碰撞开始后，防撞护舷受撞击挤压后变形，船舶模型在初始速度作用下不断侵入防撞护舷，受其变形影响，位移增加速率逐渐降低，在1.63 s时刻最大程度侵入护舷，深度为0.8 m.
船舶撞击防撞护舷时碰撞力时程图见图14.最大碰撞力出现在船舶与防撞护舷产生最大变形的时刻，水平方向撞击力为47.1 MN，大于设置的许用值27.42 MN，不符合碰撞力设计要求.碰撞力较大的原因是当采用D型护舷时，随着碰撞过程的深入，护舷会移动到船首的凹陷处（见图13），致使球鼻艏部分及上部护栏直接触碰桥墩，产生较大碰撞力，使护舷失去防护作用.
2.2 圆环型护舷碰撞特性分析
3 000 t货船撞击圆环型护舷示意见图15.圆环外径为3.5 m，内径2 m，厚度0.75 m.板的厚度为5 mm，芯柱直径为5 mm.与3 000 t船舶撞击后圆环型护舷变形见图16.
防撞护舷碰撞过程能量变化时程见图17和18.在碰撞接触变形最大时刻1.60 s时，动能下降约为原来的6.1%，变形能与摩擦能占总能量的90.6%.碰撞过程沙漏能大致控制在总能量的5%以下.从图18可以看出：护舷吸收大部分能量；船首变形较小，效果较好.
船舶模型几何中心在碰撞过程中沿碰撞方向位移变化见图19.在1.6 s时刻最大程度侵入护舷，深度为3 m（注意图中船护舷接触时刻为0.4 s）.
船舶撞击防撞护舷时碰撞力时程曲线见图20.最大碰撞力出现在1.29 s，水平方向撞击力20.5 MN，小于规范要求的最大船撞力为27.42 MN的要求.
2.3 板型护舷碰撞特性分析
3 000 t货船撞击板型护舷示意见图21.板型护舷表面由玻璃钢板包覆，内部填充物为聚氨酯泡沫.护舷高8 m，厚1.2 m，玻璃钢板厚度为5 mm，芯柱直径为5 mm.撞击后护舷变形见图22.
防撞护舷碰撞过程能量变化曲线见图23.在碰撞接触变形最大时刻1.14 s时，动能下降为0，变形能与摩擦能占总能量92.9%.碰撞过程沙漏能大致控制在总能量的5%以下.从图24可以看出：护舷吸收少部分能量，船首变形较大，效果不理想.
船舶模型几何中心在碰撞过程中沿碰撞方向位移变化见图25.在1.0 s时刻最大程度侵入护舷，深度为1 m，护舷几乎被撞穿.船首变形能超过护舷，说明船体破坏较严重.
船舶撞击防撞护舷时碰撞力时程曲线见图26.
最大碰撞力出现在1.02 s，水平方向撞击力为20.3 MN，小于规范要求的最大船撞力27.42 MN，符合要求.
由表1可以看出：D型护舷不符合要求，圆环型护舷吸收的能量约是船舶的4倍，板型护舷吸收的能量约是船舶的1/2.
3 结论
通过对比分析，得到如下结论.
1）通过防撞护舷试样的有限元计算与试验结果对比，发现在ANSYS/LSDYNA平台上模拟船舶与护舷碰撞的动力学特性具有较高的精度.
2）通过对3 000 t船舶与D型、圆环型和板型护舷的碰撞过程进行对比发现：对于有球鼻艏的大型船舶，采用D型护舷时船舶会直接与桥墩碰撞，使防撞护舷完全失去作用；对于板型护舷，碰撞力能满足要求，但大部分碰撞能量将由船舶吸收，船舶变形严重；采用圆环型防撞护舷时，最大碰撞力相对较小，且碰撞能量大部分被护舷吸收，船舶变形较小，能起到保护船舶与桥墩的作用.因此，圆环型防撞护舷的综合性能最好.
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（编辑 武晓英）
