陳國(guó)虞 趙振宇 趙彥龍

摘 要：本文選取兩種我國(guó)工程上已經(jīng)使用過(guò)的復(fù)合消能防撞圈擬合方法，分別為朱王唐ZWT模型和通用非線(xiàn)性單自由度離散梁（General Nonlinear 1DOF Discrete Beam）GNDB模型。通過(guò)理論介紹和仿真分析模擬對(duì)比，闡述兩種方法的異同和應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合消能防撞圈；擬合方法；朱王唐ZWT模型；通用非線(xiàn)性單自由度離散梁GNDB模型；對(duì)比研究

1 黏滯性耗能理論依據(jù)

橋墩防船撞裝置無(wú)非是：“受撞時(shí)橋墩受力”和“受撞時(shí)橋墩不受力”兩大類(lèi)。不論是哪一種類(lèi)型，均應(yīng)選擇柔性防船撞元件，具有較大的波阻抗，能較多地消耗船舶動(dòng)能，同時(shí)延長(zhǎng)沖擊時(shí)間，得以撥開(kāi)船頭使船回到正確航線(xiàn)上去，達(dá)到理想地完成防船撞過(guò)程。使船、橋和環(huán)境少受破壞，甚至完全不受破壞。

防撞元件受力變形時(shí)，能夠消耗能量，變形的大小與耗能的多少有密切關(guān)系。防撞元件的變形從小到大，可以有彈性—彈塑性—塑性—黏滯性等階段，后面的階段耗能越來(lái)越大。鋼絲繩柔性防撞圈是高耗能的，這一點(diǎn)可從動(dòng)態(tài)“沖擊力—沖擊位移”試驗(yàn)曲線(xiàn)得到證明。

高耗能的復(fù)合鋼絲繩柔性防撞圈的“動(dòng)態(tài)沖擊力—沖擊位移”曲線(xiàn)的上升段是一條凹曲線(xiàn)，前半段變形大而受力較?。ㄅc凸曲線(xiàn)比較），上升曲線(xiàn)與下降曲線(xiàn)包圍的面積代表消耗掉的能量，此黏滯性防撞圈消耗的能占作用于防撞圈的能的60%以上，它能有效地延長(zhǎng)撞擊歷時(shí)，減低船撞力，充分發(fā)揮黏滯性柔性防撞元件的緩沖消能作用。由黏滯性高耗能防撞圈元件與內(nèi)外鋼圍組成的防撞裝置，既能減低船撞力又能發(fā)揮整體作用，使船撞力集中載荷化為分布載荷，使船頭盡快轉(zhuǎn)向、滑離，船舶還能夠帶走盡可能多的剩余動(dòng)能，在船橋相撞時(shí)，達(dá)到橋、船、防撞裝置“三不壞”的目的。

2 黏滯性柔性高耗能復(fù)合鋼絲繩防撞圈元件的特性

工業(yè)上常用的鋼絲繩的制件，在受到外力而變形時(shí)，能在體積較小的元件產(chǎn)生較大的耗能效應(yīng)。用于航天器上的耗能減震元件，已被上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所成功用在空壓機(jī)機(jī)座上，放在南京路沈大成糕團(tuán)店的頂層曬臺(tái)。鋼絲繩防撞元件不同于鋼絲繩減震元件，它希望個(gè)體小而耗能大。這就需要特別定制鋼絲繩，并選擇合適的鋼絲繩結(jié)構(gòu)，還要配合制作鋼絲繩防撞圈元件時(shí)的特殊加工工藝。

首先，選用符合要求的線(xiàn)接觸鋼芯結(jié)構(gòu)的無(wú)油鋼絲繩，以保證全部繩內(nèi)絲間鋼對(duì)鋼的摩擦，追求盡量多的線(xiàn)接觸摩擦；其次，鋼絲繩繞成防撞圈時(shí)用緊密排列，這樣就要求防撞圈的徑向橫截面內(nèi)鋼絲繩呈三角形堆壘，便于約束鋼絲繩，減少非摩擦變形；第三，用鋁合金扁圓壓接套將鋼絲繩兩頭壓緊，并用細(xì)鋼絲將鋼絲繩圈扎緊，限制非摩擦的變形，迫使鋼絲繩內(nèi)部鋼絲在防撞圈受力時(shí)產(chǎn)生絲間摩擦，導(dǎo)致內(nèi)部消耗發(fā)熱；第四，增大鋼絲繩絲間的摩擦系數(shù)，采用鋼絲之間鋼對(duì)鋼的干摩擦，要求生產(chǎn)表面無(wú)油的鋼絲用以捻制鋼絲繩；最后，將密排鋼絲繩圈外面用高溫硫化氯丁橡膠包覆，制成高耗能柔性復(fù)合防撞圈，外層復(fù)合的氯丁橡膠既可防海水腐蝕，也有助于防撞圈恢復(fù)形狀，達(dá)到多次使用的目的。下節(jié)是鋼絲繩繞成防撞圈在受靜、動(dòng)態(tài)拉、壓力變形時(shí)，測(cè)定其“力-變形”圖，分析圖中各階段的抗力和功耗。

3 復(fù)合高耗能防撞圈準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)拉壓曲線(xiàn)

3.1 Ф800型復(fù)合高耗能防撞圈（典型化、批量生產(chǎn)）準(zhǔn)靜態(tài)拉壓曲線(xiàn)

圖3為Ф800型復(fù)合高耗能防撞圈準(zhǔn)靜態(tài)拉壓曲線(xiàn)。

3.2 Ф800型復(fù)合高耗能防撞圈動(dòng)態(tài)壓曲線(xiàn)

圖4為對(duì)復(fù)合高耗能防撞圈測(cè)定動(dòng)態(tài)壓曲線(xiàn)時(shí)用的試驗(yàn)機(jī)，1995年起作者用中國(guó)船舶科研中心自行設(shè)計(jì)，美國(guó)高速記錄儀配套組成的試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)作研究和交貨試驗(yàn)（至2006年）；2012年起，作者用寧波大學(xué)研制的高速記錄系統(tǒng)與彭浦橡膠制品總廠(chǎng)合作建設(shè)的試驗(yàn)機(jī)，作交貨試驗(yàn)（至2016年）。

圖5為應(yīng)用上述兩種試驗(yàn)系統(tǒng)分別得到的復(fù)合高耗能防撞圈動(dòng)態(tài)壓曲線(xiàn)。

4 復(fù)合高耗能防撞圈數(shù)值模擬方法

由防撞圈的靜、動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)分析，該元件具有應(yīng)變率相關(guān)非線(xiàn)性粘彈性特性，在仿真分析時(shí)應(yīng)采用具有相同特性的模型進(jìn)行模擬。隨著橋梁防撞需求的日益增多，橋梁柔性防撞技術(shù)得到快速發(fā)展，從而針對(duì)柔性防撞技術(shù)的裝置設(shè)計(jì)任務(wù)也越來(lái)越多。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，防撞圈的等效計(jì)算方法是設(shè)計(jì)人員首先遇到的問(wèn)題，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題國(guó)內(nèi)外先后有多個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研究，其中應(yīng)用較為普遍的方法有兩種，分別是由寧波大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的基于LS-DYNA軟件的朱王唐ZWT模型和由中交一公院推薦的基于LS-DYNA軟件的通用非線(xiàn)性單自由度離散梁GNDB模型。

4.1 朱王唐ZWT模型原理[1]

朱王唐ZWT模型是由我國(guó)著名力學(xué)學(xué)者朱兆祥、王禮立、唐志平提出的，該模型可以很好的模擬工程塑料（包括環(huán)氧樹(shù)脂、有機(jī)玻璃PMMA、聚碳酸酯PC、尼龍、ABS、PBT等）在準(zhǔn)靜態(tài)載荷到?jīng)_擊載荷的范圍內(nèi)所具有的非線(xiàn)性粘彈性本構(gòu)關(guān)系。傳統(tǒng)ZWT方程如下：

由于在LS-DYNA中沒(méi)有可供選用的非線(xiàn)性粘彈性本構(gòu)模型，寧波大學(xué)研究人員推薦采用非線(xiàn)性彈簧模型與Maxwell模型組合的方式定義ZWT模型，從而進(jìn)行防撞圈的數(shù)值模擬。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比如圖6所示，可見(jiàn)無(wú)論在加載段還是在卸載段，朱王唐ZWT模型都可以很好的模擬鋼絲繩圈的力-位移特性。

此方法在設(shè)計(jì)計(jì)算廣東湛江海灣大橋的柔性防撞裝置[3、4、5]時(shí)得到使用，該裝置已經(jīng)建成，并已經(jīng)使用了9年。

4.2通用非線(xiàn)性單自由度離散梁GNDB模型原理[2]

考慮到船舶與防撞裝置碰撞過(guò)程中應(yīng)變率一般不大，中交一公院研究人員采用LS-DYNA軟件中自帶的通用非線(xiàn)性單自由度離散梁模型（暫考慮速度相關(guān)）進(jìn)行防撞圈的模擬。該模型是通用非線(xiàn)性六自由度離散梁模型的一種退化模式，而通用非線(xiàn)性六自由度離散梁模型是在通用非線(xiàn)性彈簧單元的基礎(chǔ)上，考慮不同的卸載方式而發(fā)展起來(lái)的一種模型。圖7為該模型的典型加載、卸載狀態(tài)。

一般情況下通過(guò)材料參數(shù)控制可以選擇適合的加載卸載狀態(tài)。本文對(duì)照復(fù)合高耗能防撞圈動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)曲線(xiàn)，認(rèn)為應(yīng)該使用（7d）型加載卸載曲線(xiàn)。

為驗(yàn)證該模型的有效性，以Ф800型（外徑為800mm）復(fù)合高耗能防撞圈動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為數(shù)值分析擬合結(jié)果的評(píng)判依據(jù)。Ф800型復(fù)合高耗能防撞圈壓縮受力時(shí)程試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。對(duì)比試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，數(shù)值擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果十分吻合。

5 小結(jié)

由于復(fù)合高耗能防撞圈在受力后各種材料、各層材料的變形比較復(fù)雜；各個(gè)時(shí)間段的變形率亦在變化，各部分的 （應(yīng)變）和 （應(yīng)變率）亦不容易確定，于是就有了計(jì)及 （應(yīng)變率）和不計(jì)及 （應(yīng)變率）兩種擬合方法。不計(jì)及 （應(yīng)變率）的方法從原理上說(shuō)應(yīng)該是一種近似的、代替性的方法，其可用性及其帶來(lái)的誤差，應(yīng)該想辦法進(jìn)行估算。

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