摘 要

随着我国国民经济建设的快速发展与人民物质生活水平条件的不断提高，交通运输业的发展也越来越快。伴随而至的是越来越多跨海跨江桥梁的修建，这就使得船桥碰撞的概率大大增加，船舶撞击桥梁的重大事故也时有发生。然而，船桥碰撞问题的不确定因素有很多，采用合适的研究方法就显得尤为重要。实验室试验耗资巨大，并且很难达到理想的效果；现场试验也几乎不可能进行。因此，本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对船舶与桥墩碰撞过程进行数值模拟，分析在各种工况下的撞击力变化，重点讨论桥墩截面形状、尺寸及材料、船舶撞击速度、船舶吨位、船舶撞击角度等主要因素对桥梁船撞力的影响，得到船撞力与各影响因素之间的联系。

对数值仿真模拟的结果进行分析，得到能量、撞击力、变形位移等结果。研究表明，桥墩截面的形状与尺寸的改变对船撞力有着显著影响，桥墩混凝土材料的改变也会对船撞力产生一定的差异；而船舶自身运动响应的变化则对船撞力有着直接的影响，撞击速度与船舶吨位的增加会显著增加峰值撞击力，但是峰值撞击力与两者的关系并不是呈线性关系，而是随着速度与吨位的增加，增长趋势有所减缓；撞击角度的影响除了正面撞击的影响最为严重，其他角度的侧面撞击对船舶与桥墩各自的影响较小。

关键词：船桥碰撞；ANSYS/LS-DYNA；数值模拟；碰撞力；

Abstract

With the rapid development of China's national economic construction and the continuous improvement of people's material living conditions, the development of the transportation industry is also faster and faster. With the construction of more and more bridges across sea and river, the probability of ship bridge collision increases greatly. However, there are many uncertain factors in ship-bridge collision, so it is very important to adopt appropriate research methods. Laboratory experiments are expensive and difficult to achieve the desired results. Field tests are almost impossible. Therefore, the finite element analysis software ANSYS/ls-dyna is used to numerically simulate the process of ship collisions with bridge pier and analysis the impact force under various working conditions change, focus on the pier cross-section shape, size and material, the ship collision speed, the ship's tonnage, ship collision Angle such as the influence of main factors on the bridge ship collision force, get the ship collision force and the relationship between various influencing factors.

The results of numerical simulation are analyzed, and the results of energy, impact force, deformation and displacement are obtained. The research shows that the change of pier section shape and size has a significant impact on the ship collision force, and the change of pier concrete material will also have a certain difference in the ship collision force. The change of the ship's motion response has a direct impact on the ship's collision force. The increase of the collision speed and the ship's tonnage will significantly increase the peak collision force. However, the relationship between the peak collision force and the two is not linear. In addition to the most serious impact angle of frontal impact, other side impact angles have little impact on the ship and pier respectively.

Keywords：Ship - bridge collision ; ANSYS/LS-DYNA；Numerical simulation; Ship collision force

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 3

1.2.1国外研究现状 3

1.2.2国内研究现状 4

1.3问题与难点 5

1.3.1主要问题 5

1.3.2主要难点 6

1.4主要研究内容 7

第二章 船-墩碰撞数值仿真 8

2.1概述 8

2.2仿真概况 8

2.3船舶有限元模型的建立 8

2.4桥墩有限元模型的建立 10

2.6碰撞体与周围流体的相互作用 13

2.6边界条件 14

2.6.1荷载 14

2.6.2接触的处理 14

2.6.3边界约束 14

2.7本章小结 15

第三章 不同截面参数的桥墩船撞仿真研究 16

3.1引言 16

3.2桥墩截面形状的改变对船撞力的影响 16

3.2.1能量分析 18

3.2.2撞击力分析 19

3.2.3结构变形 21

3.2.4结果讨论 22

3.3桥墩截面尺寸的改变对船撞力的影响 23

3.3.1碰撞力分析 24

3.3.2 结构变形 25

3.3.3 结果讨论 27

3.4混凝土材料的改变对船撞力的影响 27

3.4.1碰撞力分析 28

3.4.2能量分析 28

3.3.3结构变形 29

3.4.4结果讨论 30

3.5本章小结 30

第四章 桥船碰撞参数的改变对船撞力的影响 32

4.1引言 32

4.2船速的改变对碰撞力的影响 32

4.2.1撞击力分析 32

4.2.2 结构变形 34

4.2.3结果讨论 35

4.3船舶吨位的改变对船撞力的影响 35

4.3.1撞击力分析 36

4.3.2结果讨论 37

4.4船舶碰撞角度的改变对船撞力的影响 37

4.4.1 碰撞力分析 40

4.4.2 结构变形 40

4.4.3 结果讨论 42

4.5本章小结 43

第五章 结论与展望 44

5.1结论 44

5.2展望 45

参考文献 46

致谢 48

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

改革开放以来，我国经济建设取得良好成效，人民物质生活水平条件不断提高，与此同时我国的交通运输行业的发展也愈发迅猛，为了方便跨地区的经济发展与文化交流，越来越多的跨海跨江大桥得以修建。然而桥梁的修建跨越了河道，方便了出行，但是也阻碍了船舶的顺畅通行，桥梁修建的越多，越不利于船舶的正常通航。陆上交通的蓬勃发展，水上交通的发展也很迅速，随着近些年国家经济实力的增强，科技的发展，使得船舶的建造水平越来越高，船舶吨位也在不断增大，动力装置的升级，船舶的通航速度也越来越快，这就导致了船舶在通行桥梁的过程中撞击桥墩的概率在增加。由于种种不确定性因素，船舶与桥梁的碰撞概率大大增加，位于主航道附近的桥墩更是首当其冲。船撞事故在危害人民的生命安全的同时也对环境造成一定程度的污染，更严重的是桥墩在受到撞击后结构受损严重而坍塌，上部建筑物破坏中断，水路和陆路交通干线的中断，这样的损失是巨大的，严重影响了社会发展与经济建设。

从查阅的相关资料来看^[1]，在世界范围内船舶撞击桥墩的事故时有发生。从上个世纪60年代初截止到目前，全世界已经有几十座桥梁因船舶的碰撞而坍塌，由此造成的死亡人数也多达千人。在我国，有关统计^[2]显示,自1957年武汉长江大桥建成以来，武汉长江大桥已经发生大大小小的船撞事故多达百余起。近些年来，随着水上通航船舶的增多，我国重大船舶撞击桥梁的概论增大，事故增多，期中影响较大的有2007年6月15日的九江大桥船撞事故（如图1-1所示），当时一艏满载的1000T级的运沙船行至广东佛山流域，与九江大桥发生严重碰撞。大桥的桥墩随即被撞断，上面桥面结构100多米直接断裂脱落到江面，水陆交通一时被阻断，伤亡10余人，事故造成的经济损失巨大。2008年3月27日凌晨一艏“勤丰128”货轮与还在建设的浙江宁波的金塘大桥发生严重撞击（如图1-2所示），事后调查发现这起事故是由于船长错误设计航线，在航行过程偏离主通航孔，在穿过非主通航孔时发生撞桥事故。事故造成桥梁坍塌、船舶受损、人员伤亡等严重后果，造成较大的经济损失。2019年2月28日下午4时，一艘从韩国釜山港驶出的6000吨级俄罗斯籍货轮该市的广安里大桥发生严重撞击（如图1-3所示），后续调查发现是涉事船长“醉驾”,可以说这种由人为因素导致的船撞事故是很难避免的。