韓 申，鄭恩東，王 新，朱召泉

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098；2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029)

隨著國(guó)內(nèi)高壩的建設(shè), 升船機(jī)已在高壩通航中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[1]，一般在承船廂兩端、工作閘門(mén)的內(nèi)側(cè)設(shè)置防撞裝置, 以防止進(jìn)廂船舶因誤操作而發(fā)生事故[2]，國(guó)內(nèi)外關(guān)于防撞裝置的研究很少，僅有的一些研究也基本屬于較為簡(jiǎn)單的理論分析或小型實(shí)船撞擊試驗(yàn)。鄭維鈺等[3]進(jìn)行了實(shí)船試驗(yàn)，研究了以鋼絲繩為主要元件的柔性防撞裝置的保護(hù)性能；方曉敏等[4]在隔河巖升船機(jī)中提出并設(shè)計(jì)了“防撞繩加緩沖油缸”型式的防撞裝置；郝平[5]研究了升船機(jī)防撞梁與船舶撞擊的動(dòng)力響應(yīng)，但此研究基于多種假設(shè)；趙亞楠等[6]對(duì)帶有鎖閂機(jī)構(gòu)的防撞裝置設(shè)備組成和結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了介紹；王悅等[7]闡述了防撞裝置調(diào)試的內(nèi)容及控制要求；王新等[8]首次在景洪升船機(jī)進(jìn)行了承船廂廂頭閘門(mén)防撞裝置的實(shí)船撞擊試驗(yàn)，探討了“防撞梁加緩沖油缸”型式防撞裝置的防撞效果和影響因素；為深入了解三峽升船機(jī)防撞裝置的防撞效果，王新[9]在三峽升船機(jī)開(kāi)展了承船廂廂頭閘門(mén)防撞裝置的實(shí)船撞擊試驗(yàn)，測(cè)試了不同船舶行駛速度對(duì)碰撞結(jié)果的影響；2018年，王新等[10]在向家壩升船機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)船撞擊試驗(yàn)，該試驗(yàn)揭示了“防撞繩加緩沖油缸”防撞裝置的工作機(jī)制和耗能特性。

本文以向家壩升船機(jī)承船廂防撞裝置為背景工程，采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，進(jìn)行“防撞繩加緩沖油缸”防撞裝置的船舶撞擊數(shù)值模擬，分析不同船艏形狀、船舶速度和防撞繩受撞位置等因素對(duì)防撞裝置的受撞性能與耗能情況的影響，從而為此類(lèi)防撞裝置的合理設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 船舶及防撞裝置模型有限元建立

1.1 船舶模型

以現(xiàn)場(chǎng)撞擊試驗(yàn)所采用的942 t的自卸貨船為對(duì)象建立船舶有限元模型，船舶尺寸為57.6 m×10.8 m×11.8 m(長(zhǎng)×寬×高)，其中船舶型深3.2 m，吃水2.3 m，試驗(yàn)時(shí)排水量942 t，船艏傾角大約45°。因船舶與防撞裝置碰撞時(shí)，僅船艏部分發(fā)生碰撞接觸，船身并未直接參與接觸碰撞，為簡(jiǎn)化計(jì)算，船艏選用LS-DYNA程序中003號(hào)應(yīng)變強(qiáng)化彈塑性材料，采用殼單元Shell163模擬；船身按剛性體材料采用實(shí)體單元Solid164模擬，并通過(guò)改變船身剛性體的質(zhì)量密度來(lái)等效模擬船舶的實(shí)際重量。

1.2 防撞繩加緩沖油缸模型

防撞鋼絲繩采用Link167單元模擬，緩沖油缸采用彈簧單元Combi165來(lái)建立。為提高撞擊位置的模擬精度，防撞繩線單元需精細(xì)劃分，長(zhǎng)度取為10 mm。

1.3 流體模型

承船廂水域范圍長(zhǎng)×寬×水深為116.0 m×12.0 m×3.0 m，采用無(wú)旋轉(zhuǎn)、無(wú)壓縮和無(wú)粘度的線性流體模型模擬水體單元，先對(duì)水體[11]采用Solid164實(shí)體單元建模，再對(duì)水體參數(shù)進(jìn)行修改。水體參數(shù)通過(guò)關(guān)鍵字*MAT_NULL定義，空材料參數(shù)及狀態(tài)方程參考勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得到的參數(shù)擬合值。對(duì)于水體的網(wǎng)格特征尺寸取為400 mm。

圖1 水體、船舶與防撞裝置整體系統(tǒng)有限元模型

1.4 約束條件

對(duì)于升船機(jī)承船廂內(nèi)水體，其前后左右及底面分別與船廂廂頭閘門(mén)、船廂側(cè)壁和船廂底鋪板接觸，故在水體與承船廂的上述接觸面均設(shè)置接觸面法線方向約束，使水體不能超出承船廂范圍。對(duì)于防撞繩，與油缸相連接部分而處于活塞軌道內(nèi)的防撞繩段，只允許沿承船廂縱向運(yùn)動(dòng)，約束另兩方向的位移，緩沖油缸與承船廂相連的一端按固定鉸支座處理。船艏與防撞繩自動(dòng)點(diǎn)面接觸，船艏內(nèi)部自動(dòng)單面接觸；考慮流固耦合的兩個(gè)對(duì)象主要是船舶與承船廂內(nèi)水體之間的相互作用。

綜上，水體、船舶與防撞裝置整體系統(tǒng)的有限元模型如圖1所示，整體模型的BEAM單元數(shù)783，DISCRETE單元數(shù)1，SHELL單元數(shù)18 285，SOLID單元數(shù)30 850，單元節(jié)點(diǎn)60 123個(gè)。

2 計(jì)算工況

首先對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬并經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，在驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的精度和可行性后，再開(kāi)展其他工況下的撞擊數(shù)值模擬。向家壩防撞裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共進(jìn)行了5組工況，試驗(yàn)船舶的船艏斜面傾角為45°，船舶正面撞擊防撞繩中間位置，船速分別為0.22 m/s、0.26 m/s、0.38 m/s、0.52 m/s和0.6 m/s。

圖2 試驗(yàn)與模擬防撞繩拉力最大值對(duì)比

完成數(shù)值模擬與上述試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證后，分別考慮不同船艏傾角(30°、45°和60°)、不同船舶速度(0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s、0.6 m/s和0.7 m/s)和撞擊防撞繩的不同位置(中間、左邊、右邊)等其他工況，分析該類(lèi)防撞裝置的受撞性能。

3 結(jié)果分析

3.1 撞擊過(guò)程受力情況

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的計(jì)算精度和可行性，分別列出現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況與數(shù)值模擬所得防撞繩受撞拉力的最大值，其對(duì)比曲線如圖2所示。

由圖2可知，初始速度小于0.38 m/s時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相差稍大，誤差值大約在15%，在初始速度大于等于0.38 m/s時(shí)，試驗(yàn)數(shù)值與模擬數(shù)值較為接近，兩者誤差在5%左右，而本文主要研究的是撞擊速度大于0.3 m/s的碰撞情況，在此范圍內(nèi)，數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果較接近。

經(jīng)有限元分析，繪出船艏斜面傾角為45°時(shí)不同撞擊速度及不同撞擊位置時(shí)的防撞繩最大拉力如圖3所示。而不同船艏斜面傾角的船舶，以撞擊速度為0.5 m/s且撞擊在鋼絲繩中間位置時(shí)的防撞繩最大拉力如圖4所示。

圖3 不同撞擊位置防撞繩最大拉力-速度曲線圖

由圖3可知，撞擊位置相同時(shí)，速度越大，防撞繩最大拉力越大，當(dāng)船速超過(guò)0.6 m/s，此時(shí)油缸的行程已超過(guò)1 200 mm，此階段油缸拉力與緩沖油缸行程呈負(fù)相關(guān)，油缸拉力有所下降，致使防撞繩拉力出現(xiàn)較快的增長(zhǎng)趨勢(shì)；在同一船速下，船舶在中間位置撞擊產(chǎn)生的防撞繩拉力最大；由圖4可知，船艏角度與防撞繩拉力呈負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)榇冀嵌仍叫。记嫫教?，在視覺(jué)上呈現(xiàn)出“尖角”的形狀，撞擊時(shí)防撞繩產(chǎn)生的變形量越大。

3.2 撞擊過(guò)程的位移變化情況

船舶撞到鋼絲繩后的最大緩沖距離的試驗(yàn)值與數(shù)值模擬結(jié)果變化趨勢(shì)相同，試驗(yàn)值比數(shù)值模擬結(jié)果稍大，平均誤差在6%左右。不同撞擊工況下船舶的最大緩沖距離對(duì)比結(jié)果曲線如圖5、圖6所示。

圖5 不同位置撞擊時(shí)的船舶緩沖距離

由圖5、圖6可知，相同船舶在同一撞擊位置時(shí)，船舶緩沖距離與船速正相關(guān)；相同船舶在同一船速下，右側(cè)撞擊緩沖距離最大，因緩沖油缸設(shè)置在右側(cè)，鋼絲繩右端相對(duì)于固定連接的左端，約束剛度偏小，故緩沖距離更大；船艏角度越小，受撞時(shí)防撞繩越能沿著船艏曲面向下移動(dòng)，使船舶緩沖距離加長(zhǎng)。當(dāng)船速以0.7 m/s碰撞防撞繩時(shí)，船舶最大緩沖距離為2.8 m，已超過(guò)設(shè)計(jì)要求的船舶最大緩沖距離2.5 m，建議采用直徑更大的防撞繩與阻尼更大的緩沖油缸，以滿足防撞設(shè)計(jì)要求。

3.3 撞擊過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化情況

船舶與防撞裝置接觸碰撞過(guò)程中會(huì)發(fā)生能量轉(zhuǎn)化，以試驗(yàn)撞擊速度0.52 m/s碰撞防撞繩中間位置為例，繪制碰撞過(guò)程防撞系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化曲線如圖7所示，船舶動(dòng)能變化(船舶內(nèi)能和沙漏能很小，忽略不計(jì)，只考慮動(dòng)能變化)情況如圖8所示。

如圖7所示，接觸碰撞過(guò)程可分為三段，分別為0～0.8 s、0.8～4.2 s、4.2～6.0 s。船舶前進(jìn)初期，系統(tǒng)總能量與船舶動(dòng)能相等，大約為127 kJ。在0～0.8 s，船舶與防撞繩接觸碰撞前，船舶動(dòng)能略有下降，主要因?yàn)樗w緩沖作用，在這段時(shí)間內(nèi)，船舶一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為水體內(nèi)能和動(dòng)能，以及部分系統(tǒng)沙漏能，在船舶接觸到防撞繩之前，船舶動(dòng)能為121 kJ；在0.8～4.2 s，船舶與防撞繩接觸，在防撞繩拉力作用下，船舶動(dòng)能逐漸減小，在4.2 s時(shí)船舶動(dòng)能降至零；在圖7和圖8中，系統(tǒng)動(dòng)能仍存在殘余值，這是因?yàn)榇皠?dòng)能雖然降至零，但系統(tǒng)中其他部件仍有動(dòng)能，例如水體的動(dòng)能；在4.2～6.0 s，船舶開(kāi)始往回移動(dòng)，防撞繩變形漸漸恢復(fù)，緩沖油缸活塞桿縮回，船舶動(dòng)能逐漸增大，但此時(shí)兩者并未分離，故仍存在摩擦力，直至6.0 s，在此過(guò)程中，防撞系統(tǒng)的內(nèi)能又轉(zhuǎn)化為船舶動(dòng)能、水體動(dòng)能與內(nèi)能、界面滑移能及一部分沙漏能；在接觸結(jié)束時(shí)，船舶動(dòng)能為111 kJ，界面滑移能為12.6 kJ，水體內(nèi)能為4.89 kJ，防撞繩與緩沖油缸內(nèi)能趨近于零，沙漏能6.63 kJ；在整個(gè)碰撞—接觸—分離的過(guò)程中，船艏剛度較大，變形很小，防撞裝置屬于柔性，只有彈性變形，系統(tǒng)幾乎沒(méi)有產(chǎn)生塑性變形能，沙漏能占內(nèi)能峰值的5.8%，小于10%，可以判定數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果正確且可以接受。

圖7 防撞系統(tǒng)碰撞能量-時(shí)間曲線

為進(jìn)一步了解在接觸碰撞過(guò)程中能量消耗的情況，以船舶速度降到最低時(shí)為參照，分析對(duì)比碰撞系統(tǒng)各部分消耗船舶能量的情況，在向家壩升船機(jī)承船廂防撞系統(tǒng)碰撞試驗(yàn)中，船舶以撞擊速度0.52 m/s碰撞防撞繩中間位置時(shí)，系統(tǒng)總能量為127 kJ，船舶防撞裝置消耗能量109.97 kJ，占總能量86.4%，對(duì)應(yīng)工況下的數(shù)值模擬結(jié)果為89.7%，二者較為相近。表1列出了試驗(yàn)工況與對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬工況船舶防撞裝置消耗能量的對(duì)比情況，因界面滑移能與水體能量很小，主要進(jìn)行防撞繩與緩沖油缸耗能情況對(duì)比。

表1 試驗(yàn)與模擬耗能對(duì)比

由表1可知，船舶與防撞裝置碰撞的數(shù)值模擬結(jié)果表明，防撞繩與緩沖油缸總耗能占比為89.7%～93%，其余能量則被水體、界面摩擦以及一部分沙漏能消耗掉；而試驗(yàn)結(jié)果中，船舶初始速度為0.22 m/s、0.26 m/s和0.6 m/s時(shí)，防撞裝置總耗能占比為86.4%～90.5%(而在試驗(yàn)完成后，發(fā)現(xiàn)撞擊速度為0.38 m/s與0.60 m/s試驗(yàn)工況下防撞裝置耗能結(jié)果占比出現(xiàn)規(guī)律異常，但復(fù)查試驗(yàn)環(huán)節(jié)并未發(fā)現(xiàn)特殊原因，為完整記錄試驗(yàn)結(jié)果，故也將其列入表1)。數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)撞擊試驗(yàn)防撞裝置總耗能情況出現(xiàn)差別的原因，主要是數(shù)值模擬時(shí)未能考慮現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中存在的某些影響因素，如承船廂水流速度、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速、防撞繩的老化、緩沖油缸活塞桿的摩擦潤(rùn)滑情況、船艏曲面老舊程度及防撞系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的初始缺陷等。因此，數(shù)值模擬所得的防撞裝置耗能要大于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，模擬結(jié)果更偏向于理想的撞擊過(guò)程。

其他工況下防撞裝置的耗能情況數(shù)值分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，各個(gè)工況下總耗能占比都在90%左右，碰撞事故發(fā)生時(shí)，防撞裝置能有效阻止船舶繼續(xù)前進(jìn)，大量消耗船舶動(dòng)能，可起到保護(hù)升船機(jī)承船廂廂頭閘門(mén)的作用。而在防撞裝置內(nèi)部部件耗能情況略有不同，其中撞擊位置在左邊的，緩沖油缸耗能占比最大，平均達(dá)到70.54%，而中間位置耗能占比為63.96%，右邊位置最小為61.81%。同樣，撞擊位置在右邊的，防撞繩耗能占比最大為29.1%，中間次之為27.4%，左邊最小為20.71%。而防撞繩耗能與緩沖油缸耗能占比與船舶速度關(guān)系不大，均在一確定的范圍內(nèi)波動(dòng)。此外，船艏角度的影響也較為突出，船艏角度越小，緩沖油缸耗能占比越大，則防撞繩耗能占比越小，這是因?yàn)樵诖冀嵌仍叫?，船舶與防撞繩接觸越不充分，防撞繩很快沿著船艏斜面向下滑動(dòng)，做功也越小，船艏角度越大，越接近一個(gè)豎直曲面，則接觸越充分。

表2 不同工況下防撞裝置的耗能情況數(shù)值分析結(jié)果

4 結(jié)論

(1)同一船舶在相同船速下，撞擊在防撞繩不同位置時(shí)，防撞繩產(chǎn)生的拉力不同，中間位置受撞時(shí)防撞繩拉力最大，在左邊與右邊受撞時(shí)防撞繩拉力稍小。同型船舶在相同船速下，不同角度船艏也會(huì)對(duì)防撞繩拉力有影響，具體表現(xiàn)為船艏角度越小，防撞繩拉力越大。(2)船舶在不同位置撞擊防撞繩時(shí)，撞擊位置越靠近緩沖油缸，船舶緩沖距離越大；其他因素相同時(shí)，船艏角度越大，船舶緩沖距離越小。(3)各撞擊工況下，防撞裝置耗能占比大致為總能量90%，耗能情況良好，能有效阻止船舶進(jìn)一步前沖撞擊承船廂廂頭閘門(mén)；防撞裝置中各個(gè)部件耗能占比略有不同，撞擊位置越遠(yuǎn)離緩沖油缸，緩沖油缸耗能占比越大；船艏角度越小，緩沖油缸耗能占比越大，防撞繩耗能占比越小。在船速較大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)船舶緩沖距離超過(guò)設(shè)計(jì)要求的情況，值得注意。(4)在船舶駛?cè)氤写瑤麜r(shí)，應(yīng)盡量減小船速，如不可避免要撞擊到防撞繩，應(yīng)盡量控制撞擊遠(yuǎn)離緩沖油缸的位置，此時(shí)產(chǎn)生的防撞繩拉力相對(duì)較小，船舶緩沖距離更短，此時(shí)緩沖油缸耗能占比增大，在設(shè)計(jì)防撞裝置時(shí)，建議選用耗能效果較好的緩沖油缸。若實(shí)際航行的船舶船艏角度較小，則選用屈服強(qiáng)度更高，截面面積更大的防撞繩，并搭配緩沖效果更好的緩沖油缸。