摘 要

随着经济发展，交通运输和船舶也高速发展起来。同时，船桥碰撞事件日益增加，造成严重的人员伤亡、财产损失和环境破坏。因此，船桥碰撞机理和防撞系统设计的研究受到越来越多的关注。

船桥碰撞是一个非常复杂的过程，中间吹出现碰撞力、能量、速度、结构变形等变化，具有非线性。影响碰撞的因素有很多，这使得研究人员无法建立一个非常精确的数学模型来模拟这个过程。非线性有限元技术水平的不断提高，为解决船桥碰撞问题提供了有效的途径。

本文主要围绕碰撞机理和碰撞力，在运用有限元仿真模拟技术的基础上，通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA对船桥碰撞进行了全过程的模拟，结合有关参数，对能量、碰撞力等进行了分析。全文的主要研究工作如下：

1. 总结归纳了船桥碰撞的研究背景，了解目前国内外的研究现状，提出本文船桥碰撞研究的技术方案。
2. 分析研究了船桥碰撞机理和船桥碰撞有限元基本理论和技术，对ANSYS/LS-DYNA软件进行了介绍。
3. 仿真模拟了船桥碰撞的全过程，研究了各种工况下碰撞力、能量、船和桥墩损伤变形等情况，分析碰撞性能。
4. 通过对有限元结果的比较，分析改变船的质量和船的速度进行碰撞的不同影响，得出正确的理论。

关键字：船桥碰撞 仿真模拟 防撞系统 碰撞力

ABSTRACT

With economic development, transportation and vessels are also developed rapidly.At the same time,bridge-vessel collision is increasing quickly causing serious casualties, property damage and environmental damage.Therefore,people take more and more attention in the study of bridge-vessel collision mechanism and collision avoidance system.

The collision between ship and bridge pier is a complicated non-linear dynamic response process under extreme large load in a very short time.There are many factors influence the collision, which maked the researchers can not establish a very precise mathematical model to simulate the process.Nonlinear Finite Element technology is improved continuously,which provides an effective way to solve problems of bridge-vessel collision.

This paper focus on collision mechanism and the impact force.Based on the ANSYS/LS-DYNA nonlinear FEM program, using finite element simulation technology to establishing the collision model of ship-bridge with anti-collision equipment and doing simulation analysis.This program has such features:

1. Summarize bridge-vessel collision research background and research status at home and abroad.Propose bridge-vessel collision technology research programs.
2. Study on the bridge-vessel collision mechanism and finite element theory and basic technology, ANSYS / LS-DYNA analysis software were introduced.
3. Simulating the whole process of bridge-vessel collision,analyze the collision force, energy and vessel and piers damage deformation in various conditions.
4. By comparing the results of the finite element,analyze different effects for bridge-vessel collision with different quality or speed,arrive at a correct theory.

Key words: bridge-vessel collision simulation collision avoidance system impact force

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究的目的和意义 2

1.3研究现状 2

1.4研究内容和技术方案 4

1.4.1研究内容 4

1.4.2技术方案 5

第二章 船桥碰撞机理 6

2.1早期船桥碰撞机理 6

2.1.1米诺斯基碰撞理论 6

2.1.2沃辛碰撞理论 7

2.1.3汉斯-德鲁彻理论 8

2.1.4能量交换原理 8

2.2近代船桥碰撞理论 9

2.2.1外部碰撞机理的发展 9

2.2.2内部碰撞机理的发展 10

2.3现在船桥碰撞机理研究状况 10

第三章 有限元建模过程 13

3.1.有限元软件介绍 13

3.2有限元建模过程 14

3.2.1几何模型 14

3.2.2单元选择 16

3.2.3材料选择 17

3.2.4边界条件 18

3.2.5单元划分 19

第四章 有限元结果分析 21

4.1两种基本情况对比 21

4.1.1碰撞力分析 21

4.1.2结构破坏变形分析 23

4.1.3能量分析 25

4.1.4速度分析 26

4.2其他工况对比分析 26

4.2.1改变速度对碰撞的影响 26

4.2.2改变质量对碰撞的影响 29

结论与展望 32

致谢 33

参考文献 34

第一章 绪论

1.1研究背景

随着交通运输的越来越发达，跨越港区和江河的大型桥梁越来越多，同时，在江河海上面的船舶也会高速发展，吨位不断增加，这就使得船桥碰撞的灾难性事故频繁发生。船桥碰撞事故对社会的伤害是很大的，桥梁崩塌，船舶撞毁，交通会出现堵塞，经济损失很大。

国际桥梁与结构工程协会曾经记录了国际上发生的多起船舶碰撞桥梁的重大的事故。2007年6月15日4时，由佛山高明开往顺德的载砂船因为当时江上有浓雾，能见度急剧下降，该船严重偏离主航道并直接撞击在九江大桥的23号桥墩上，导致九江大桥多个桥墩坍塌，并引发所承载桥面坍塌，造成人员伤亡和巨大的经济损失。2007年4月29日,在江苏省昆山市大洋桥水域,一艘货船因避让船只,撞上大洋桥桥墩,致使大桥部分桥面发生坍塌（如图1.1）。2015年10月15日下午5时50分左右，一艘工程船撞到肇庆西江