轮船-桥墩碰撞简化荷载模型

目前各国桥梁设计规范普遍将船舶撞击力处理为等效静力,忽略了冲击荷载引起的结构动力效应,为建立更加合理的实用荷载模型,建立了5艘轮船的有限元模型,采用正撞刚性墙模型,通过数值仿真获得了45条不同撞击速度下的撞击力时程样本。提出采用修正半波正弦函数近似描述撞击力样本过程,通过数理统计确定了模型的实用参数。最后,以一座连续梁桥为例进行了接触碰撞反应分析与撞击力时程反应分析,并将修正半波正弦荷载模型的响应求解误差分为3类,分别讨论了3种误差对结构响应误差的贡献大小。算例分析结果表明,建立的轮船修正半波正弦荷载模型具有良好的求解精度,具有很好的工程实用价值。     

基于并行算法的船桥碰撞数值模拟分析

船撞桥是在巨大冲击动能作用下的复杂的非线性动态响应过程.为模拟船桥碰撞过程,建立了桥梁和船舶碰撞的三维有限元模型.采用了基于接触均衡的并行计算技术,利用上海超级计算机曙光4000A,对桥梁在船舶撞击荷载作用下的动态响应进行仿真计算.主要分析了船艏结构的损坏、碰撞力演变、能量转化以及斜拉桥主塔和桥面的动态响应.将整桥整船的船桥碰撞模型与不考虑主梁和斜拉索的船桥碰撞模型进行了比较,结果表明,后者将使计算结果偏大.     

撞击船艏刚度对船体结构碰撞性能影响

针对将撞击船艏简化成刚性会影响计算结果问题,利用非线性有限元动态分析软件MSC.Dytran对一艘散货船垂直撞击双壳油轮场景进行计算。比较实际柔性船艏与简化刚性船艏撞击下碰撞性能区别,重点讨论撞击船艏部刚度对被撞舷侧碰撞性能影响。所得船艏刚度对舷侧碰撞性能影响规律表明,改进撞击船艏部结构可有效提高船舶碰撞安全性。     

两类船-桥碰撞力差异及桥梁结构响应分析

 船桥碰撞是跨航道桥梁需考虑的重要问题。本文以美国AAHSTO规范推荐两类船舶为例,研究了驳船和散装货轮撞击桥梁后碰撞力、船艏刚度和碰撞能量的变化过程,讨论了导致两类船舶碰撞力、船艏刚度和碰撞能量变化差异的原因,分析了两类船桥碰撞桥梁结构的主要响应,并将本文动力模型计算响应与已有规范计算得到响应进行了对比。结果表明,两类船舶不同的船艏外形及内部构造会对碰撞力造成较大影响;同等吨位和碰撞速度下,驳船碰撞峰值荷载比散装货轮大,驳船碰撞的墩顶位移比散装货轮小,基底剪力和弯矩比散装货轮大,驳船与散装货轮作用下桥梁结构响应的动力反应系数存在较大差异;不同规范对于碰撞荷载规定差异较大,欧洲规范计算得到响应总体较大,中国公路规范荷载对于内河船舶撞击计算得到的响应最小,中国铁路规范计算得到的响应与其他规范海轮撞击响应进行对比最小。     

球鼻船艏斜撞船舶舷侧结构的变形机理研究

随着航行在海上船舶数量的增加,船舶碰撞事故发生的概率也逐渐增加。球鼻船艏是船舶常见的设计形式,目前,对于船舶正撞场景的研究明显多于船舶斜撞场景,然而统计数据表明,船舶斜撞事故发生的概率要高于船舶正撞事故。因此,针对球鼻船艏斜撞船舶舷侧结构开展了研究。研究中建立了符合球鼻船艏斜撞场景特征的舷侧外板拉伸变形模型、桁材变形模型以及横向肋板变形模型,运用塑性力学理论推导得到了这三种构件在斜撞过程中的变形阻力解析计算公式。此外,利用有限元软件LS＿DYNA进行数值模拟,验证了解析计算结果的准确性。该研究成果对于船舶舷侧结构耐撞性的评估具有较好的工程应用价值。     

考虑流体效应的船-桥碰撞数值模拟法研究

有别于传统的不考虑流体对被撞桥墩影响的船-桥碰撞问题,该文在动水压力计算的基础上,建立了考虑流体效应的船-桥碰撞的附加质量计算模型,并与流构耦合计算模型以及不考虑流体影响的计算模型在能量转换、碰撞力、船艏撞深、桥墩位移、应力、截面内力以及计算效率等方面的结果进行了比较分析。结果表明:流体对船艏碰撞力影响较小,但能降低船舶的损毁程度;流构耦合计算模型中的墩顶水平位移响应要略小于附加质量模型和不考虑流体影响时的计算结果;不同计算模型所得桥墩有效应力基本相同且具有相同的分布规律;船-桥碰撞附加质量模型在计及流体与结构相互作用的同时,具有较高的精度和计算效率。     

钢筋混凝土梁桥船舶撞击连续倒塌数值模拟

详细介绍了钢筋混凝土桥梁船撞倒塌模拟涉及的材料模型和单元失效指标等问题,建立某连续梁上部、下部结构、支座和船舶结构精细有限元模型,将弹塑性损伤帽盖模型用于混凝土,弹塑性随动强化模型用于钢筋,对船舶撞击钢筋混凝土连续梁引起的结构连续倒塌过程进行了数值模拟,揭示了连续梁桥结构的船撞倒塌机理。     

基于整船整桥模型的船桥碰撞数值仿真

桥梁在船舶碰撞时受到的动力载荷和响应是复杂的动力非线性问题。近代非线性有限元技术为该问题的求解提供了有效的工具。简述了该技术的基本原理,并基于整船整桥模型对一艘4万吨实船与桥梁的碰撞过程进行了计算。仿真结果显示了船艏结构损坏、碰撞力演变、能量传递和桥墩内部应力变化的详细情景,讨论了船-桥碰撞的力学特征。演示的方法比传统的经验公式和简化解析法提供更为精确的结果。所提供的桥墩应力状态对桥梁的设计与碰撞后的损伤评估有重要参数价值。     

桥梁防船撞钢套箱的碰撞力快速估算

研究船舶与单墩桥梁防撞钢套箱艏尖舱的碰撞过程,探讨碰撞力快速估算及防撞装置模块化设计的可行性。首先采用非线性有限元方法模拟1 000吨级三峡标准散货船与钢套箱式桥梁防船撞装置的碰撞过程,分析了防撞钢套箱艏尖舱在不同的斜边角和船舶碰撞速度下的能量吸收特性以及传递至桥墩的碰撞力特性,得到的结果可为防撞钢套箱外形的选择提供参考。对所选择的防撞钢套箱形式,采用Boltzmann函数拟合了撞击船速与桥梁所受横桥向及顺桥向碰撞力之间的关系,该拟合公式可以用于此类防撞钢套箱方案设计阶段的撞击力快速估算。     

船撞设计冲击谱研究

针对桥梁船撞设计规范中所用等效静力法忽略船桥碰撞动力本质及有限元数值模拟方法要求高、计算量大等缺点,借鉴地震反应谱概念提出船撞设计冲击谱方法。用有限元模拟不同吨位船舶在不同速度下撞击刚性墙,获得81条撞击力时程。计算不同周期、不同阻尼比单自由度体系在撞击力时程作用下位移放大系数。通过寻找位移放大系数统计规律,给出用于桥梁船撞工程设计冲击谱及具体使用步骤。     

刚性尖头弹扩孔贯穿金属靶板理论模型的讨论

针对延性扩孔破坏模式,讨论了刚性尖头弹贯穿韧性金属靶板的已有六个理论模型（F-W、C-L、JZG、WHM、S-W和JBL）对于靶板厚度和弹头形状的适用范围,统一了各模型参数的选取准则,分别给出了JZG模型尖锥头形和尖卵头形弹体半锥角和无量纲曲率半径（CRH）的适用范围。基于12组冲击速度为200~1600m/s,厚径比（靶体厚度与弹身直径之比H/d）为0.605~9.17的多种弹靶材料的穿甲实验,得出：对于尖锥头形弹体贯穿靶板后的残余速度,S-W和WHM、JZG、F-W模型分别对于较薄靶板、中等厚度靶板和较厚靶板的预测效果较好;而对于尖卵头形弹体,WHM和JBL模型预测效果较好。同时,各模型对于弹道极限预测效果的结论和残余速度一致。分析结论可为坦克、舰船等单、多层金属装甲防护结构设计与计算提供参考和依据。     

基于非线性数值模拟的船桥碰撞力快速估算

船舶对桥墩的最大撞击载荷是桥梁设计的重要依据之一。通过有限元仿真技术模拟了5000、10000、50000、60000吨4种不同载重吨位的船舶正撞刚性桥墩时的碰撞载荷,归纳出船桥碰撞力-撞深、能量-撞深等曲线和最大碰撞力数据。并在此基础上,得到最大碰撞力-船舶吨位曲线,可用于近似估算各种吨位船舶在不同航速时的最大撞击桥梁力。     

Dynamic elastic-plastic buckling phenomena in a rod due to axial impact

Dynamic elastic-plastic buckling phenomena which might develop in a rod from an axial impact loading are studied in order to identify the conditions for quasi-static behaviour. A discrete model for dynamic elastic-plastic buckling, which retains the axial and the lateral inertia forces, is proposed, and the relationship between the model parameters and the characteristics of an actual structure is given. Examples of different external loadings and boundary conditions are considered in order to clarify the influence of elastic-plastic axial wave propagation on the buckling process. The critical time for the initiation of buckling is obtained and the post-buckling behaviour of the model is analysed. Particular attention is paid to the role of the striking mass on the characteristics of the buckling process and on the development of the buckling shape. The numerical study reveals that the inertia of the striking mass affects considerably the development of the buckling shape causing different patterns of axial strain distributions at the initiation of buckling. The comparisons which are made between the model predictions and some previously published experimental data show that the buckling process is governed by the impact velocity as well as by the external loading history provided by the experimental technique.     

鸟撞45#钢平板动响应试验研究

采用动态数据采集系统,对45#钢平板在不同撞击速度下的鸟撞动响应全过程进行了详细研究,得到了撞击过程中平板上三个点位移和四个点的应变、撞击方向4个支反力等物理量随时间变化历程,同时利用高速摄像系统记录了鸟撞过程中鸟体及平板动态变形的全过程。对重复试验的结果进行比较,二者良好的一致性表明试验结果的可靠性,在此基础上分析了平板动响应及鸟体破碎随撞击速度的变化规律。发现,位移及撞击支反力峰值随撞击速度的提高而线性增大;撞击速度越高,鸟体的流体特性越明显,表明高速撞击数值模拟中鸟体应采用描述流体行为的本构模型。该试验结果对建立合理的鸟体本构模型及验证鸟撞有限元计算方法具有重要意义。     

不同约束载荷下三岁儿童乘员胸部运动方程与损伤风险研究

3岁儿童乘员胸部在冲击载荷条件下的运动学响应一直是研究的盲点,本文基于ECE R44法规前碰撞动态试验方法,采用Hybrid Ⅲ 3岁儿童假人和第四代学术版THUMS 3岁儿童人体有限元模型(THUMS 3YO)建立了两款儿童约束系统(CRS)的正面碰撞台车数值分析模型。建立了Hybrid Ⅲ 3岁假人胸部运动力学方程,分析了胸部加速度和胸部所受内外力的相互关系。同时,定性对比分析了两款CRS中THUMS 3YO儿童胸部软组织器官损伤风险。分析结果表明:Hybrid Ⅲ 3岁假人胸部加速度与胸部所受的外力和内力都相关,外力是胸部加速度的最重要的影响因素;两款CRS中THUMS 3YO儿童乘员胸部内脏软组织器官所受的应力应变均超出了损伤阈值,前置护板型CRS对儿童胸部器官损伤风险相对五点式背带式CRS更大。该研究内容厘清了儿童乘员胸部在动态载荷条件下的运动学方程及不同加载方式的胸部软组织损伤风险,对儿童乘员约束系统的设计具有重要的指导意义。     

Comparing different fidelity models for the impact analysis of large commercial aircrafts on a containment building

Three Boeing 767 finite element models with different fidelities are built using CATIA, Hypermesh and LS-DYNA in this study. The impacts of these models on a rigid wall and a containment building are simulated with LS-DYNA. The simulation results show that the time histories of the impact forces and impulses differ significantly among these models for the low-speed impact case. With the increase of the impact velocity, the time histories of impact forces and the damage of the containment building become similar. Moreover, the impact on the back side of the containment building will occur only when the high fidelity model impacts the containment building with a high velocity. The over-simplified aircraft models will underestimate the impact load and induce a different failure mode compared to the high fidelity model. The internal structures of an aircraft should be accounted for in the impact simulation. This investigation provides a reference for further studies of aircraft impacts on containment buildings.     

基于多尺度模型的RC框架撞击倒塌响应数值分析

为了在保证计算精度的同时提高撞击荷载作用下RC框架结构连续倒塌分析的计算效率,本文基于有限元软件LS-DYNA,建立了撞击响应分析的多尺度模型。针对该模型分别采用拆除构件法和撞击全过程分析法分析了撞击荷载下框架结构的连续倒塌动力响应。结果表明：拆除构件法在分析撞击作用下结构的连续倒塌时,由于忽略了撞击力及其对周围结构造成的初始损伤、初始位移和初始速度,低估了结构的动力响应,不能合理反映撞击作用下框架结构的破坏模式;多尺度模型能够准确模拟撞击作用下框架结构的动力响应和破坏模式,同时计算时间仅为精细模型的三分之一,满足整体结构系统撞击倒塌分析的需要。     

水下生产系统跨接管结构在地震作用下动力响应分析

研究水下生产系统跨接管结构在地震波载荷下的动力响应特性。分析中计及了地震波沿水平和竖向两个方向的载荷输入,采用非线性弹簧模型模拟跨接管与海床的耦合作用,同时考虑了地震作用下跨接管的动水作用效应。通过对不同影响因素下结构的动力响应结果分析表明：竖向地震波对跨接管结构水平响应幅值影响较小,但显著改变其响应频率;管土接触引起跨接管响应幅值变化明显,并激发跨接管高阶振型;地震下动水作用力对跨接管的响应幅值影响较大。所建立的分析方法对跨接管结构设计和安全性评估有一定借鉴意义。     

A THREE-DIMENSIONAL MODELLING OF LOW VELOCITY IMPACT DAMAGE IN COMPOSITE LAMINATES

The modelling of the behaviour of laminates during low velocity impact requires, first, an analysis of the efficiency of the numerical tool used. A logical development in relation to the numerical structure of the code and the experimental observations is proposed. Four aspects of the code implementation are discussed. The first one is the representation of the impact loading by a macro-contact model using the Lagrange multiplier technique. The second is the development of this technique on the meso-scale to represent the assembly of plies of the laminate. The third step is the modelling of the evolution of the non homogeneous cracked state in the composite with an averaging technique, based on the Laws–Dvorak–Hejazi model, developed on the finite element scale. The fourth step is the modelling of the delamination between plies as a lack of contact set off by a mixed criterion matrix-cracking/interfacial forces. Numerical results on a glass-epoxy [02/906/02] laminate impacted at 27 J are in a good agreement with experimental observations.     

润滑状态下线接触滑动粗糙界面的动摩擦特性研究

滑动粗糙界面的摩擦润滑特性对界面的润滑设计和润滑状态预测具有重要的理论和实际意义。本文通过建立不同润滑状态下的滑动粗糙界面模型,基于界面的法向载荷由润滑油膜和粗糙体共同承担的载荷分配思想,采用Greenwood-Williamson统计模型描述粗糙表面形貌,考虑界面润滑的时变效应和润滑油的粘-压特性,建立了线接触滑动粗糙界面的油膜厚度方程和粗糙体接触压力方程,获得了整个润滑区的润滑油膜载荷比例因子、油膜厚度和摩擦系数随滑动速度的变化关系,推导了界面由混合润滑过渡为液压润滑的临界速度关系表达式,分析了滑动粗糙界面的润滑承载机理,获得了界面油膜厚度、摩擦系数和临界速度随界面形貌参数、法向载荷、润滑油属性参数的变化规律,为机械结构的界面润滑设计、润滑状态预测和润滑优化提供理论和实验参考。