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。     

岩石Holmquist-Johnson-Cook模型参数的确定方法

Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型在混凝土冲击爆炸数值模拟中应用广泛, 该文将其推广到岩石类材料中, 为合理确定岩石材料的HJC本构模型参数, 从塑性屈服面理论出发, 得到了特征化黏性强度系数与帽盖模型参数的关系。基于三轴围压实验、Hugoniot实验和Hopkinson压杆实验数据, 分别得到了Salem石灰岩极限面参数、压力参数和率效应参数的取值。基于上述模型参数利用有限元程序LS-DYNA对Salem石灰岩的弹体侵彻实验进行了数值模拟, 侵彻深度的计算结果与实验数据对比表明了本文所提出的HJC本构模型参数确定方法的合理性和有效性。以相对侵彻深度为目标函数, 对Salem石灰岩HJC模型所涉及的19个参数的敏感性进行了分析, 并对一般岩石材料的HJC模型参数的确定给出了建议方法, 并通过模拟高强花岗岩和Sidewinder凝灰岩弹体侵彻实验, 进一步验证了该文提出方法的合理性。     

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。     

普通混凝土HJC本构模型参数确定

Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型广泛应用于冲击爆炸作用下混凝土类材料的动态响应分析中。基于已有普通混凝土(单轴抗压强度≤60 MPa)的准静态单轴压缩实验、三轴围压实验、一维SHPB实验和一维平面应变Hugoniot冲击压缩实验数据,确定了一组适用于不同强度普通混凝土材料HJC本构模型的强度参数、率效应参数和状态方程参数取值。基于上述确定参数值通过LS-DYNA有限元分析软件,对十五组普通混凝土(单轴抗压强度13.5~58.4MPa)靶体的刚性弹体侵彻贯穿实验进行了数值模拟。通过与实验中弹体侵彻深度,贯穿残余速度以及弹体过载和靶内径向应力时程结果对比,验证了所确定模型参数的准确性。     

HJC模型模拟钢筋混凝土侵彻实验的参数研究

运用LS-DYNA程序将表征钢筋的梁单元和表征混凝土的实体单元通过节点耦合进行钢筋混凝土分离建模,数值模拟Hanchak等关于钢筋混凝土靶的穿甲实验,进一步修正HJC模型的参数,在讨论单元失效删除准则的静水压和主应变2种参数对混凝土拉伸破坏影响的基础上,重点对HJC模型关键字参数中的失效类型参数（FS）进行分析,并研究其对混凝土压实破坏的影响。通过改变弹丸侵彻钢筋混凝土靶时的着靶位置,加深了对钢筋在侵彻过程中作用的认识,同时验证该数值模拟方法可行性。所确定的建模方法及参数进一步用于某大质量卵形弹侵彻钢筋混凝土试验的研究工作。     

基于损伤的型钢混凝土构件数值分析

为了对型钢混凝土构件进行精细化建模分析,首先建立了仅依靠材料参数的混凝土本构关系以及损伤演化方程,根据型钢应变的发展以及屈曲影响,得到了型钢损伤本构模型.通过对型钢与混凝土粘结-滑移机理的进一步分析,进而建立了一种同时考虑粘结损伤和力学损伤的型钢与混凝土界面损伤模型,以合理考虑粘结-滑移对构件力学性能的影响.最后,对型...     

基于HJC模型的煤岩冲击损伤特性研究

为研究煤岩的动态破坏特征和动力损伤特性,首先对煤岩试样进行了SHPB冲击压缩试验,分析了煤岩动态破坏的具体特征,然后在ANSYS/LS-DYNA平台上基于HJC材料模型进行了煤岩SHPB数值试验,对比试验实测值与数值模拟值,通过反演的方式确定了煤岩HJC材料模型的主要参数;最后基于HJC模型,通过数值模拟试验研究了煤岩...     

考虑混凝土损伤的隔震连续梁桥碰撞响应分析

针对隔震连续梁桥纵桥向主梁与桥台碰撞问题,以一联三跨混凝土隔震连续梁桥作为算例,采用ABAQUS建立了考虑混凝土材料损伤及三维接触碰撞的有限元模型。在此基础上,应用显式积分算法分析了纵桥向地震作用下隔震连续梁桥的碰撞响应,探究了伸缩缝间隙以及支座屈服位移对碰撞响应的影响。研究结果表明：采用三维有限元模型计算得到的碰撞持时与应力波理论得到的结果吻合较好;随着碰撞的发生,混凝土材料损伤积累,碰撞持时有增加的趋势。增大伸缩缝间隙将减小碰撞次数的发生,但对最大碰撞力的影响趋势不明显;随着支座屈服位移的增加,碰撞次数显著减小,但最大碰撞力变化不大。     

碾压混凝土HJC动态本构模型修正及数值验证

研究高应变率冲击爆炸荷载作用下水工碾压混凝土大坝结构的动力响应,离不开对筑坝材料动态力学特性和本构关系的深入认识。参考实际水工混凝土大坝筑坝材料的配合比和施工方式,制备碾压混凝土试样,分别开展了静态压缩试验和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验,以探求碾压混凝土的动态力学特性。基于静、动态力学试验结果,对目前多用于描述混凝土类材料高应变率下力学行为的HJC模型的强度面、应变率增强效应和破坏准则进行了修正,并利用有限元计算手段,建立SHPB试验的数值模型,以验证修正HJC模型的有效性。结果表明:碾压混凝土在高应变率冲击荷载下的动态力学特性表现出明显的应变率效应,动态压缩强度随应变率增加而提高,且与试样尺寸有关。基于试验数据的改进HJC模型有效预测了碾压混凝土在高应变率冲击荷载作用下的动态力学行为,数值计算得到的重构应力——应变曲线基本与SHPB试验结果吻合,采用最大主应变失效准则模拟得到了与SHPB试验加载过程中接近的试样损伤破坏模式,研究成果可用于碾压混凝土结构的抗冲击爆炸设计中。     

车辆撞击下预制节段拼装桥墩的损伤分析与评估

为合理评估车辆撞击下预制节段拼装桥墩的损伤状态,研究适用于预制拼装桥墩的受撞损伤评估方法。建立车辆撞击桥墩三维有限元模型并进行桥墩损伤分析,通过与试验结果对比验证桥墩与车辆模型的准确性。分析不同参数下预制节段拼装桥墩受撞的位移响应和损伤破坏特征,并研究残余位移与截面损伤的变化规律。提出考虑残余位移和截面损伤的预制节段拼装桥墩受撞损伤评估指标,对桥墩进行损伤等级划分并确定各损伤等级指标界限值。研究结果表明：试验范围内桥墩位移响应对车辆初始撞击能量和轴压比变化最为敏感;车撞下预制节段拼装桥墩损伤集中于直接受撞击节段;桥墩受撞处残余位移和截面损伤率越大,其受撞后损伤越严重;考虑残余位移和截面损伤的桥墩损伤评估方法可准确评估车辆撞击下预制节段拼装桥墩的损伤状态。     

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。     

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。     

基于神经网络技术的南京长江大桥桥墩船舶撞击力识别

主要研究基于神经网络技术的南京长江大桥桥墩船撞力识别。在建立了南京桥4#桥墩的空间有限元分析模型后,对4#桥墩进行了动力特性分析;基于MATLAB平台建立了“船撞力-响应”神经网络,由沃辛试验船撞力曲线计算得到了船对桥墩的撞击响应并作为神经网络训练的样本。仿真计算结果表明,由桥墩墩顶的响应可有效识别船舶撞击力的大小、方向和撞击位置,该神经网络可用于有、无噪声干扰的船撞力识别,并且具有良好的容错性和鲁棒性。     

横向撞击力对铁路桥梁及行车影响的模型实验研究

高速铁路高架桥梁很多,跨越公路的桥墩被汽车撞击所引起的振动会影响列车运行安全。本文利用车—轨—桥耦合动力试验平台,通过模型试验研究了横向撞击力对桥梁及桥上车辆运行安全的影响规律。试验过程中采集了撞击处撞击力时程、桥墩底部动应变、墩顶动位移、墩顶加速度时程,梁1/4,1/2,3/4处的横向动位移和加速度时程,以及车辆的三向车体加速度时程,计算得到桥墩自振频率等振动特性。分析了车桥系统有无撞击力作用时的动力响应,以及撞击力对桥梁及桥上运行车辆的影响规律。结果表明,横向撞击使桥梁的动力响应大幅度增加,并对车辆运行安全有很大的影响。最后根据撞击力时程探讨了瞬态撞击力的等效静力计算方法并验证,为工程设计提供参考。     

竖向地震作用下桥梁结构的瞬态波响应分析

竖向地震引起的剧烈地面运动可能导致桥梁结构的损坏。针对竖向地震作用下双跨连续梁桥的瞬态动力学问题,考虑波动效应,应用瞬态波特征函数法求解了地震过程中桥梁结构的瞬态波响应理论解。通过实例分析,描述了桥墩中轴向波和桥跨结构中弯曲波的传播、反射、相互作用和波碰撞等现象。计算结果表明,不同的竖向地震动与水平地震动的比值会引起桥梁响应特征的明显改变。随着比值的增大,桥梁响应特征的改变主要表现为：（1）接触力的变化幅度增大,出现更大的接触力,加剧支座的损坏可能性;（2）出现了更低的接触力,甚至零接触力,大大增加了桥跨结构与桥墩相对滑动的可能性;（3）使原本整体处于受压状态的桥墩中出现了拉应力,拉应力有可能超过混凝土的抗拉强度,并使桥墩出现了拉-压交变应力,使得桥墩底部处于恶劣的应力状态;（4）桥跨中部向上的最大动挠度超过了两端,也就是桥跨结构被抛起的可能性增大。     

船舶撞击作用下车桥系统动力响应及高速列车运行安全分析

将船舶撞击力时程作为系统的外部激励,建立了撞击荷载作用下的车桥系统动力分析模型。以一座 (32+48+32) m双线预应力混凝土连续梁桥和国产CRH2高速列车为例,模拟船舶撞击力作用于桥墩时列车过桥的全过程,分析了桥梁和车辆的动力响应。结果表明：船舶撞击作用大幅度增大了桥梁的横向位移和加速度响应,显著影响了桥上高速列车的运行安全。探讨了船舶撞击荷载作用下的桥上高速列车走行安全评价方法,综合分析了列车速度和荷载撞击强度对列车运行安全的影响,在此基础上给出了列车速度－撞击力强度安全阈值曲线。     

车辆撞击作用下泡沫铝防撞桥墩的动态响应特性

针对车辆撞击桥墩问题,设计了一种采用泡沫铝材料的桥墩防撞装置.采用LS-DYNA软件分别建立有无防撞装置的桥墩三维实体单元模型,分析了车辆撞击作用下各桥墩的动态时程响应.对比了两种情况下车辆对桥墩的撞击力、桥墩位移和应力等特征参量,并从能量传递的角度分析了泡沫铝防撞装置的耗能能力和撞击车辆损伤.结果表明:采用泡沫铝防撞...     

Numerical predictions of ballistic limits for concrete slabs using a modified version of the HJC concrete model

Some modifications to the Holmquist–Johnson–Cook (HJC) model (1993) for concrete under impact loading conditions are proposed. First, the pressure-shear behaviour is enhanced by including the influence of the third deviatoric stress invariant to take into account the substantial shear strength difference between the tensile and compressive meridians. Second, the modelling of strain-rate sensitivity is slightly changed so that the strain-rate enhancement factor goes to unity for zero strain rate. Third, three damage variables describing the tensile cracking, shear cracking and pore compaction mechanisms are introduced. A critical review of the constitutive model with alternative proposals for parameter identification is given. The model parameters are obtained for two concrete qualities, and perforation of concrete slabs is considered numerically and compared with experimental results from the literature. Ballistic limit assessments with deviations under 8% when compared to the experimental results are obtained, indicating that the modified version of the HJC concrete model represents a good compromise between simplicity and accuracy for large-scale computations of concrete plates impacted by projectiles.