潘 晉 李 娜 方 涵 黃義飛 許明財(cái)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院2) 上海 200240) (華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院3) 武漢 430074) (武漢力拓橋科防撞設(shè)施有限公司4) 武漢 430070)

0 引 言

近年來，由于夾層板結(jié)構(gòu)在防撞結(jié)構(gòu)耐撞性能方面有優(yōu)于傳統(tǒng)加筋板的表現(xiàn)，且其耐撞效果的提高還有許多探究空間，國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的耐撞性能做了許多研究，影響夾層板結(jié)構(gòu)的耐撞性的因素主要有結(jié)構(gòu)形式和防撞材料等.Deer等[1]對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)形式的夾層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量沖擊試驗(yàn)研究，分析了不同碰撞工況下的吸能特性、變形模式等.Han等[2]討論了三種不同類型的用于夾層結(jié)構(gòu)的混合格子芯體，包括具有優(yōu)異抗穿透性的陶瓷或混凝土填充格子芯體，探索了相應(yīng)的增強(qiáng)機(jī)制.張延昌等[3]用有限元仿真方法分析了蜂窩式夾層板結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的變形、撞擊力、吸能效果，得出蜂窩式夾層板結(jié)構(gòu)具有良好的防撞吸能能力.潘晉等[4]對(duì)鋼蒙皮-蜂窩金屬薄片夾芯、蜂窩玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾芯這兩類夾層板在低速?zèng)_擊載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、吸能效果和損傷特征進(jìn)行了對(duì)比分析.單成林等[5]采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)分別設(shè)置不同數(shù)量的水平加勁肋和豎向加勁肋的夾層板防撞套箱進(jìn)行應(yīng)力和變形的對(duì)比分析，得到加勁肋的布置對(duì)防撞套箱效果的影響結(jié)論.方涵等[6]設(shè)計(jì)了一種蜂窩型復(fù)合材料橋梁防車撞結(jié)構(gòu)，提出采用鋼板厚度及管壁厚度的最優(yōu)厚度組合時(shí)，防車撞結(jié)構(gòu)能在較低造價(jià)下提供良好的吸能效果.劉偉慶等[7]設(shè)計(jì)出一種玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為外殼的浮式防撞套箱，附加以緩沖耗能材料、彈性緩沖材料在內(nèi)，使得該設(shè)計(jì)套箱具有不錯(cuò)的變形與耗能效果.許薛軍等[8]提出一種用鋼-聚氨酯-鋼夾層板制作的新型曲面環(huán)形浮式防撞套箱，并用有限元方法驗(yàn)證到在最不利的撞擊工況下，也能減少很大的撞擊力.正如以上研究，對(duì)夾層板防撞結(jié)構(gòu)的耐撞研究主要集中在新防撞材料方面，而防撞部件的結(jié)構(gòu)形式研究相對(duì)較少.

不同結(jié)構(gòu)形式的夾層板在受到撞擊時(shí)所產(chǎn)生的防撞效果不同，合理高效的結(jié)構(gòu)形式同時(shí)也能將材料的耐撞性能發(fā)揮到最大限度.本文即對(duì)四種常用結(jié)構(gòu)形式的夾層板三角形、X形、正弦型、梯形，采用LS-DYNA模擬相同碰撞條件下，即控制材料模型、板厚、網(wǎng)格尺寸、單元類型、邊界條件等相同，進(jìn)行有限元數(shù)值仿真計(jì)算，根據(jù)分析討論各夾層板的撞擊力峰值、吸能及變形比選出耐撞性最佳的結(jié)構(gòu)形式，最后應(yīng)用于防撞套箱進(jìn)行實(shí)船有限元碰撞模擬以檢驗(yàn)其防撞效果.

1 各夾層板結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型

1.1 幾何模型

夾層板結(jié)構(gòu)由夾芯層與上下面板焊接或膠結(jié)而構(gòu)成，面板均為1.5 m×1.5 m，板厚為6 mm，上下面板間距0.3 m，夾芯層板厚3 mm.各夾層板結(jié)構(gòu)的截面形狀及幾何尺寸見圖1.

圖1 各結(jié)構(gòu)形式夾層板截面示意圖

1.2 有限元模型

1.2.1單元的定義

夾層板上下面板及夾芯層均采用殼單元“SHELL163”，撞擊體為邊長為0.5 m的剛性正方體，采用實(shí)體單元“SOLID164”模擬.

1.2.2材料的定義

夾層板結(jié)構(gòu)選用的材料模型為彈塑性材料模型*MAT_03_PLASTIC KINEMATIC,相關(guān)參數(shù)為：密度ρ=7 850 kg/m3;彈性模量E=2.1×1011N/m2;泊松比μ=0.3;屈服應(yīng)力為σ0=2.38×108N/m2;硬化模量Eh=1.18×109N/m2;材料常數(shù)C=40,P=5;塑形失效應(yīng)變?yōu)?.38.剛性體的材料模型定義為*MAT_20_RIGID，相關(guān)參數(shù)為：密度ρ=10 000 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011N/m2,泊松比μ=0.3.

1.2.3網(wǎng)格劃分

在碰撞的擠壓階段，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為夾層板結(jié)構(gòu)的變形能和摩擦生熱等，故夾層板結(jié)構(gòu)需要較小的網(wǎng)格來模擬接觸區(qū)域的實(shí)際變形，大小定義為0.02 m.而撞擊體被定義為剛性，在碰撞過程中不發(fā)生塑性變形，其網(wǎng)格尺寸可稍大，定義為0.03 m.

1.2.4接觸、時(shí)間的定義

邊界條件定義為約束夾層板背撞面節(jié)點(diǎn)的所有自由度.夾層板結(jié)構(gòu)與剛性撞擊體之間采用面面接觸*CONTACT_SURFACE _TO_ SURFACE，為防止產(chǎn)生自身結(jié)構(gòu)互相穿透，夾層板結(jié)構(gòu)設(shè)置自接觸*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE.定義撞擊體以10 m/s的速度垂直于面板撞擊夾層板結(jié)構(gòu)，撞擊體與夾層板結(jié)構(gòu)的初始距離為0.001 m,以防止結(jié)構(gòu)初始穿透同時(shí)避免間距過大造成的計(jì)算時(shí)間過長現(xiàn)象.計(jì)算時(shí)間定為0.05 m.剛性撞擊體-夾層板結(jié)構(gòu)碰撞系統(tǒng)見圖2(以三角形夾層板為例).

圖2 碰撞系統(tǒng)示意圖(三角形夾層板)

2 有限元仿真結(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)損傷變形

圖3為四種夾層板結(jié)構(gòu)在10 m/s的撞擊速度下的應(yīng)力云圖，經(jīng)對(duì)比可知其中三角形和梯形夾層板結(jié)構(gòu)受撞擊后產(chǎn)生局部應(yīng)力較小，且?guī)缀踔辉谂c正方體剛體接觸的撞擊區(qū)域產(chǎn)生較大撞深.最大節(jié)點(diǎn)變形位移的具體數(shù)值見表1，由表1可知，X形夾層板的變形最小，考慮撞擊時(shí)存在的回彈現(xiàn)象后亦如此.

表1 四種夾層板節(jié)點(diǎn)變形位移 cm

2.2 撞擊力

在碰撞過程中，碰撞力會(huì)急速增大并出現(xiàn)峰值，后隨時(shí)間不斷波動(dòng)減少至零.圖4為四種夾層板在2 ms內(nèi)的碰撞力-時(shí)間曲線.由圖4可知，四種夾層板結(jié)構(gòu)幾乎同一時(shí)間出現(xiàn)第一個(gè)碰撞力峰值，為剛性體接觸到上面板而產(chǎn)生的.由于正弦形夾層板結(jié)構(gòu)的波紋夾芯與上面板接觸面積較大，故沒有明顯的第二個(gè)碰撞力峰值，而其余三者均出現(xiàn)第二個(gè)碰撞力峰值.其中，梯形夾層板結(jié)構(gòu)的碰撞力峰值最大，具體數(shù)值見表2.

圖3 四種夾層板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

圖4 碰撞力-時(shí)間曲線

表2 碰撞力峰值

2.3 能量吸收

四種夾層板結(jié)構(gòu)在碰撞過程中總能量保持不變，滿足能量守恒定律.沙漏能均不超過總能量的10%，結(jié)果可信.圖5為四種夾層板結(jié)構(gòu)的內(nèi)能-時(shí)間曲線，可知X形夾層板結(jié)構(gòu)最早發(fā)揮吸能作用，梯形夾層板結(jié)構(gòu)吸能最多.四種夾層板結(jié)構(gòu)具體吸收能量情況為：梯形夾層板(6.25 kJ)>X形夾層板(6.22 kJ)>三角形夾層板(6.18 kJ)>正弦形夾層板(6.14 kJ).當(dāng)回彈過后趨于穩(wěn)定時(shí)，梯形夾層板結(jié)構(gòu)內(nèi)能依舊最大，三角形最小.

由圖5可知，抵抗撞擊變形能力最強(qiáng)的夾層結(jié)構(gòu)形式為X形，最大撞深較三角形、梯形、正弦形夾層結(jié)構(gòu)分別小36.68%,56.92%,122.07%；削減碰撞力能力最強(qiáng)的是正弦形夾層板結(jié)構(gòu)，碰撞力峰值較X形、三角形、梯形夾層板結(jié)構(gòu)分別小5.26%,5.88%,28.79%；吸收碰撞能量最強(qiáng)的的夾層板結(jié)構(gòu)形式為梯形，內(nèi)能值較X形、三角形、正弦形夾層結(jié)構(gòu)分別高0.48%,1.12%,1.76%.綜上所述，在吸收碰撞能量相近的情況下，X形夾層板較其他形式夾層結(jié)構(gòu)以更小的變形損傷削減了更大的碰撞力，耐撞性更優(yōu).

圖5 夾層板結(jié)構(gòu)的內(nèi)能-時(shí)間曲線

由上比選出X形夾層板為耐撞性最優(yōu)的夾層板結(jié)構(gòu)形式，為驗(yàn)證其作為防撞部件的耐撞性能，將其應(yīng)用到某長江大橋橋墩的防船撞套箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式中，并與該橋墩的防撞套箱原型在相同碰撞條件下進(jìn)行有限元實(shí)船碰撞仿真，即控制材料模型、單元類型、網(wǎng)格尺寸、邊界條件等相同，對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果討論兩者耐撞性.

3 實(shí)船碰撞數(shù)值仿真驗(yàn)證

3.1 工程概況和工況介紹

依據(jù)前述研究結(jié)果設(shè)計(jì)了某長江大橋橋墩的防船撞裝置，即將X形夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用于防撞套箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式中.該大橋主橋采用單跨懸吊懸索橋方案，主跨800 m，主纜矢跨比1/10，主纜邊跨跨度分別為230 m和100 m，主纜跨度組成為230 m+800 m+100 m.主橋加筋梁采用鋼混結(jié)合方案，主塔采用門型塔方案，主塔基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)方案.橋區(qū)航道等級(jí)為II級(jí)，設(shè)計(jì)代表船型為2 000 t級(jí)干散貨船，航速一般小于3.5 m/s，3#橋墩靠近上水習(xí)慣航路，有一定船撞風(fēng)險(xiǎn)，需考慮防撞設(shè)施.

根據(jù)橋區(qū)情況，撞擊船采用一艘2 000 t級(jí)的散貨船，碰撞系統(tǒng)見圖6，計(jì)算工況選取見表3.

表3 計(jì)算工況

圖6 碰撞系統(tǒng)示意圖

該大橋原型套箱長45 m、寬16.4 m、深3.5 m，首尾迎撞部位內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式見圖7a).現(xiàn)結(jié)合大橋?qū)崨r設(shè)計(jì)套箱長44.9 m、寬14.4 m、高3.2 m，外圍板距內(nèi)圍板6.3 m，應(yīng)用于套箱首尾迎撞部位的X形夾層板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖7b)，以下簡(jiǎn)稱設(shè)計(jì)套箱.兩套箱均由甲板底板、外板內(nèi)板、隔板和阻尼塊構(gòu)成.其中內(nèi)板、外板板厚設(shè)為7 mm，隔板板厚設(shè)為3 mm，甲板、底板板厚設(shè)為5 mm.

圖7 防撞套箱結(jié)構(gòu)首尾迎撞部示意圖

3.2 套箱的有限元模型

3.2.1單元的定義

文中防船撞套箱采用了兩種單元類型，甲板底板、外板內(nèi)板、隔板選用單元“SHELL163”，阻尼塊和橋墩選用實(shí)體單元“SOLID164”.

3.2.2材料的定義

防撞套箱共采用了兩種材料模型，其中套箱面板、隔板選用了塑性隨動(dòng)材料模型*MAT_03_PLASTIC KINEMATIC，參數(shù)設(shè)置與前文夾層板的材料相同.套箱與橋墩間的阻尼選用了*Blatz-KO RUBBER，密度定義為ρ=7 850 kg/m3,彈性模量為E=1.04×108N/m2.船舶模型材料模型一共有三種，其中船首選用隨動(dòng)塑性材料MAT_03_PLASTIC KINEMATIC,船身選用剛性材料MAT_20_RIGID，船艙隔板采用彈性材料MAT_01_ELASTIC，具體參數(shù)設(shè)置不作贅述.

3.2.3網(wǎng)格劃分

套箱中部及尾部網(wǎng)格大小定義為0.2 m，首部和船首部位網(wǎng)格需要加密，定義為0.1 m，阻尼塊的網(wǎng)格大小定義為0.05 m，與阻尼塊相接觸的橋墩網(wǎng)格大小為0.25 m.

3.2.4接觸、時(shí)間的定義

邊界條件定義為取沖刷線以下5倍樁徑位置處進(jìn)行固結(jié).橋梁防撞套箱與船首之間和阻尼塊與橋墩之間設(shè)置面面接觸*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE.為防止撞擊產(chǎn)生大變形后發(fā)生自身侵徹，橋梁防船撞套箱和船首分別設(shè)置自接觸*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE.考慮最不利碰撞工況，設(shè)定船舶正撞橋墩及防撞套箱，與套箱間的初始距離設(shè)定為0.02 m，計(jì)算時(shí)間設(shè)為4 s.

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1撞擊力

圖8為各工況下實(shí)船碰撞橋墩所受的撞擊力歷時(shí)曲線，隨著碰撞速度的增大，撞擊過程中產(chǎn)生碰撞力逐漸增大.2.5，3.0，3.5 m/s速度下未設(shè)置防撞套箱時(shí)，2 000 t散貨船撞擊橋墩產(chǎn)生的碰撞力峰值為16.981，22.125，24.222 MN,均遠(yuǎn)超出對(duì)應(yīng)速度下的規(guī)范值5.115，6.138，7.161 MN，規(guī)范值來自文獻(xiàn)[9].由圖8可知，對(duì)比無套箱工況，設(shè)置套箱可有效削減船舶撞擊橋墩的碰撞力，且隨著碰撞速度的增大，更有效地將碰撞力峰值控制在規(guī)范值以內(nèi).其中，內(nèi)部形式為X形夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)套箱在速度增大的過程中，削減碰撞力的能力對(duì)比原型套箱更強(qiáng).

圖8 碰撞力時(shí)程曲線

3.3.2套箱損傷變形

由于三種速度差值較小，碰撞過程中套箱首部迎撞船首處的損傷變形狀況無較大差異，故只選取最大速度即3.5 m/s下的兩套箱最大節(jié)點(diǎn)位移云圖見圖9.由圖9a)可知，原型套箱的變形損傷區(qū)域較小，圖9b)的設(shè)計(jì)套箱在船首撞擊區(qū)域產(chǎn)生較深變形，套箱側(cè)邊受到一定沖擊而發(fā)生傾斜，內(nèi)板出現(xiàn)一定程度的變形扭曲，但首部各處變形程度與碰撞點(diǎn)距離成正比，抵抗變形時(shí)結(jié)構(gòu)的利用程度較高.同時(shí)，設(shè)計(jì)套箱產(chǎn)生的最大撞深更小，具體數(shù)值見表4.

圖9 3.5 m/s套箱首部迎撞處變形位移

表4 套箱最大撞深

3.3.3能量吸收

碰撞過程中船舶的動(dòng)能主要轉(zhuǎn)化為套箱的變形能，碰撞過程中還存在回彈.未設(shè)置防撞套箱時(shí)，由于橋墩為剛性體不產(chǎn)生變形，碰撞所產(chǎn)生的能量幾乎全由船首的變形所吸收.船舶質(zhì)量為2 046 t，系統(tǒng)總能量理論值為E=0.5 MJ2，九種工況下總能量有限元仿真與理論值的誤差在1%～2%，故認(rèn)為仿真結(jié)果可信.提取兩種套箱的最大內(nèi)能值繪制柱狀圖見圖10，可知2.5，3.0，3.5 m/s速度下，設(shè)計(jì)套箱吸能比原型套箱多且隨速度變大越明顯.

圖10 各工況套箱內(nèi)能柱狀圖

綜合對(duì)比兩套箱的耐撞性，可在已知套箱最大撞深相近的情況下，提取二者在三種碰撞速度下的碰撞力峰值、吸收的最大碰撞能量對(duì)比見圖11.由圖11可知，在設(shè)計(jì)套箱的保護(hù)下，橋墩所受的碰撞力對(duì)比原型套箱更小，即削減船撞力能力更強(qiáng).同時(shí)，設(shè)計(jì)套箱吸能能力較原型套箱更強(qiáng)，且隨速度變大，設(shè)計(jì)套箱吸能能力有增強(qiáng)的趨勢(shì).

圖11 碰撞力峰值和最大碰撞能量對(duì)比

4 結(jié) 論

1) 梯形、三角形、X形、正弦形夾層板中，X形夾層板抵抗變形能力最強(qiáng)，且具有出色的削減撞擊力和吸能能力，耐撞性能最優(yōu).

2) 設(shè)置橋梁防撞套箱可大幅削減小船舶撞擊橋梁的碰撞力，其中的夾層板結(jié)構(gòu)作為主要防撞部件通過變形吸收船舶的動(dòng)能，起到保護(hù)橋梁的作用.

3) 經(jīng)驗(yàn)證將X形夾層板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某長江大橋的防撞套箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，通過有限元仿真計(jì)算方法，與原型套箱相比，X形夾層結(jié)構(gòu)的防撞套箱具有良好的削減橋墩所受碰撞力的能力，以更小的變形吸收更多的能量，吸能效率更強(qiáng)，耐撞效果更佳.