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泡沫铝防护装置在桥墩防撞上的应用研究

作　者: 徐东丰
导　师: 巫祖烈
学　校: 重庆交通大学
专　业: 结构工程
关键词: 撞击桥墩泡沫铝防护装置冲击试验有限元
分类号: TB383.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

本文首先介绍桥墩防撞装置的分类与型式、船舶撞击刚性桥墩的撞击力公式以及船舶碰撞桥墩的研究方法等,指出了目前防撞装置存在的不足,即装置结构尺寸偏大,且只保护桥而不保护车或船的问题。从实际工程应用出发,为了解决这一问题,提出了一种新型的泡沫铝桥墩防护装置。根据泡沫铝的压缩力学性能与能量吸收性能研究,发现泡沫铝的压缩应力-应变曲线存在很长的平台屈服区,且在压缩荷载作用下,泡沫铝在较低的应力水平既能产生很大的塑性变形,因此它是一种优良的缓冲吸能材料。为了解本文使用的泡沫铝的力学性能,进行了泡沫铝准静态压缩试验,并获得了一系列可靠的泡沫铝物理力学性能参数。其后,利用已有的研究成果,建立了简化的汽车与带有泡沫铝防护装置的桥墩相碰撞的数学模型和求解碰撞系统动态响应的外部动力学理论。根据冲击试验的原理,设计了模拟车-桥(船-桥)碰撞的试验系统,并对带有泡沫铝防护装置的桥墩进行摆锤冲击试验。通过大量的冲击试验,以应力与加速度为评价指标,对比分析了泡沫铝的不同厚度、不同结构型式、有无防撞装置等对桥墩作用的影响规律。试验结果表明:对于泡沫铝的普通结构,同一厚度,不同荷载作用下,桥墩的应力与加速度量值前后相差很大,且随着荷载增加两者均增大;不同厚度,同种荷载作用下,两者前后差异很小。对于桥墩防撞装置有、无的情形,同种荷载作用下,有防撞装置的桥墩相比裸墩,其应力与加速度显著减小,降幅均达到50%以上。而对于不同类型的泡沫铝结构,在保护桥墩方面,由于加工因素的影响,相比于普通结构型式,异型结构的优越性不是很明显。在试验基础上,利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA对车-桥(船-桥)碰撞进行了模拟计算,计算与试验结果吻合较好。通过计算得出了泡沫铝吸能曲线、铁球的撞击动能曲线、铁球速度曲线与撞击力曲线等。有限元计算表明:同种荷载作用下,泡沫铝厚度不同,撞击力基本相同;泡沫铝同一厚度,不同荷载作用下,但随着荷载的增加,撞击力曲线先是略微降低,后又增加的趋势。相比于裸墩,泡沫铝防护装置能降低2倍以上的撞击力。试验和计算表明:相对于承受相同荷载的裸墩,泡沫铝桥墩防护装置均能显著降低荷载对桥墩的作用,并且可以同时保护车-桥(船-桥)。因此,泡沫铝桥墩防护装置是一种优良的桥墩防护系统。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-23
  1.1 课题研究的意义  10-11
  1.2 船桥碰撞的研究现状  11-20
    1.2.1 桥墩防撞装置的分类及结构型式  12-13
      1.2.1.1 弹性变形型  12-13
      1.2.1.2 抗压变形型  13
      1.2.1.3 变位型  13
    1.2.2 船桥碰撞问题的研究方法  13-18
      1.2.2.1 统计分析方法  14
      1.2.2.2 试验研究方法  14-15
      1.2.2.3 简化的碰撞数值分析方法  15-16
      1.2.2.4 有限元模拟仿真法  16-18
    1.2.3 撞击力计算概况  18-20
  1.3 本文研究工作  20-23
第二章泡沫铝材料的力学行为研究及其准静态压缩试验  23-41
  2.1 泡沫铝结构特征  23-24
  2.2 泡沫铝力学研究历史回顾  24-25
  2.3 泡沫铝材料的准静态压缩性能研究  25-32
    2.3.1 泡沫铝材料的准静态压缩应力-应变曲线特征  25-27
    2.3.2 孔隙率、孔径和密度对泡沫铝对强度的影响  27-29
    2.3.3 泡沫铝材料压缩性能的本构关系  29-30
    2.3.4 泡沫铝的能量吸收性能  30-32
      2.3.4.1 泡沫铝的孔径、孔隙率和密度对能量吸收的影响  31-32
  2.4 泡沫铝的动态力学性能研究  32-34
    2.4.1 泡沫动态压缩曲线  32
    2.4.2 泡沫铝应变率对屈服强度的影响  32-33
    2.4.3 泡沫铝的应变速率敏感度  33-34
  2.5 泡沫铝准静态压缩试验  34-39
    2.5.1 动态压缩试验装置与测量原理  34-36
    2.5.2 泡沫铝材料静态压缩性能试验  36-39
      2.5.2.1 试验材料  36-37
      2.5.2.2 试验装置与试验控制  37
      2.5.2.3 试验内容  37-39
  2.6 结论  39-41
第三章汽车碰撞带有防撞装置桥墩的外部动力学理论分析  41-48
  3.1 汽车冲撞桥墩的能量表示  41-42
  3.2 汽车碰撞带有泡沫铝防护装置的桥墩的二维运动方程  42-47
    3.2.1 汽车碰撞桥墩的二维运动过程分析  42
    3.2.2 汽车的运动加速度  42-44
    3.2.3 碰撞后碰撞点的速度  44
    3.2.4 汽车的碰撞冲量  44
    3.2.5 汽车的变形吸收的能量  44-45
    3.2.6 防撞装置的变形吸收的能量  45-46
    3.2.7 碰撞结束后汽车的运动速度  46-47
  3.3 本章小结  47-48
第四章带有泡沫铝防撞装置的桥墩正撞试验  48-69
  4.1 冲击试验简介  48-50
    4.1.1 仪器化冲击试验机与普通冲击试验机的区别  48-49
    4.1.2 冲击试验的原理与装置  49
    4.1.3 试验数据处理原理  49-50
  4.2 泡沫铝桥墩防撞装置缩尺模型冲击试验  50-68
    4.2.1 相似常数的确定  50-51
    4.2.2 撞击系统的构造  51-53
      4.2.2.1 桥墩设计  51
      4.2.2.2 桥墩钢筋图布置  51-52
      4.2.2.3 泡沫铝材料  52-53
      4.2.2.4 试验加载设备  53
      4.2.2.5 测点布置  53
    4.2.3 测试内容与加载方案  53-55
    4.2.4 数据采集与试验结果分析  55-68
  4.3 本章小结  68-69
第五章铁球正碰有泡沫铝防护装置桥墩的有限元分析  69-107
  5.1 LS-DYNA简介  69-70
    5.1.1 LS-DYNA 的发展沿革  69
    5.1.2 LS－DYNA 的功能特点  69-70
  5.2 铁球碰撞有防护装置桥墩的控制方程和数值计算方法  70-80
    5.2.1 物质描述  70-71
    5.2.2 大变形下的应变与应力  71-73
    5.2.3 采用更新 Lagrange 算法的铁球撞击桥墩及其防护装置问题的基本控制方程  73-74
    5.2.4 有限元离散后的运动微分方程  74-75
    5.2.5 求解过程  75
    5.2.6 节点实体单元计算的单点高斯积分与沙漏控制  75-77
    5.2.7 接触－碰撞的数值计算算法  77-80
      5.2.7.1 接触－碰撞的数值计算算法  77-78
      5.2.7.2 接触－碰撞算法的有限元实现  78-80
  5.3 撞击系统的有限元模型的建立与计算设置  80-83
    5.3.1 定义单元类型及材料属性  80-81
    5.3.2 实体模型的建立及网格划分  81-82
    5.3.3 模型的PART、接触、约束的定义  82
    5.3.4 求解设置  82-83
  5.4 有限元仿真结果及分析  83-87
  5.5 各种工况比较  87-91
  5.6 有限元计算结果与试验结果对比  91-106
  5.7 本章小结  106-107
第六章结论  107-109
  6.1 本文主要研究工作总结  107
  6.2 进一步研究工作展望  107-109
致谢  109-110
参考文献  110-112

泡沫铝防护装置在桥墩防撞上的应用研究

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