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船桥碰撞理论及猎德大桥防撞装置的性能研究

作　者: 罗琳
导　师: 李传习
学　校: 长沙理工大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 船桥碰撞防撞装置数值仿真角钢支承环形钢管架
分类号: U443.26
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 250次
引　用: 6次
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内容摘要

随着交通运输业的蓬勃发展,跨海和通航江河的大型桥梁建造的越来越多;与此同时,世界船舶也进一步大型化、高速化。随之而来的是,船舶撞击桥梁的灾难性事故日益增多,事故所导致的人员伤亡、财产损失以及环境破坏也更加惊人。因此,近年来船桥碰撞机理特别是桥墩防撞装置的研究得到越来越多的关注。船舶与桥墩防撞装置的碰撞是两者在很短的时间内相互作用的一种复杂的非线性动态响应过程。碰撞过程中的不确定性因素颇多,几乎不可能通过建立一个精确的数学模型而使两者的碰撞问题得到完全的解析。因此,随着非线性有限元技术的日益完善和计算机硬件水平的不断提高,碰撞的数值仿真方法越来越成为解决船桥碰撞相关问题的有效途径。本文在总结已有的船桥碰撞研究成果、分析桥墩各种防撞装置特点、进一步探讨船桥碰撞机理的基础上,针对猎德大桥9#桥墩的结构特点、水文特点和通航特点,提出了角钢支承的环形钢管架的防撞装置形式,并进行了设计。根据显式瞬态非线性有限元分析技术,用ANSYS/LS-DYNA软件对船桥相撞全过程进行了仿真模拟,结合参数分析,研究防撞装置和桥墩的防撞性能,提出了改善结构耐撞性与吸能效果的相关措施。全文主要的研究工作如下:1.总结和归纳了船桥碰撞机理研究的发展历程,对这些机理进行了比较和分析,并提出了船桥碰撞机理的发展方向。2.概括了防撞装置的设计要求和分类,介绍了六种防撞装置的工作原理、适用范围及各自的优缺点,为猎德大桥9#墩量身定做防撞装置。3.研究和讨论了船桥碰撞数值仿真中所涉及的基本理论和关键技术,分别对显式时间积分、材料动力特性、沙漏以及接触等问题进行了专题研究。4.采用显式瞬态非线性有限元分析技术对船与带有防撞装置的桥墩碰撞过程进行成功的数值仿真分析,碰撞的整个时间历程得以全面的模拟实现,考察了碰撞时程中防撞装置及桥墩的损伤、碰撞力、能量、变形、应力等变化情况,分析其碰撞性能。5.对防撞装置进行参数分析,得出此种防撞装置在直角正碰撞情况下圆管钢和角钢尺寸变化对吸能效果的影响、撞击深度与船舶的初末动能的关系、平均碰撞力与船舶动能的曲线关系;并且得出此种防撞装置在直角正碰撞情况下撞击速度的变化对防撞装置碰撞力、吸能、撞深的影响,提出了改善结构耐撞性与吸能效果的相关措施。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-30
  1.1 研究的背景与意义  10-12
    1.1.1 研究的背景  10-11
    1.1.2 研究的重要性及意义  11-12
  1.2 船桥碰撞机理的研究概况  12-21
    1.2.1 早期船桥碰撞经典理论  13-16
    1.2.2 近代船桥碰撞理论  16-17
    1.2.3 现在船桥碰撞机理研究情况  17-19
    1.2.4 规范中的桥墩防撞计算方法  19-21
  1.3 桥墩防撞装置种类和应用概况  21-29
    1.3.1 防撞装置的分类  21-22
    1.3.2 防撞装置的特点  22-27
    1.3.3 防撞装置的应用现状  27-29
  1.4 本文主要研究工作  29-30
第二章碰撞分析数值仿真的基本理论和关键技术  30-51
  2.1 非线性有限元软件的介绍  30-32
  2.2 ANSYS/LS-DYNA程序算法基础  32-51
    2.2.1 控制方程  32-35
    2.2.2 有限元计算中的沙漏控制  35-39
    2.2.3 显式中心差分算法  39-40
    2.2.4 显式积分的时步长控制  40-42
    2.2.5 ANSYS/LS-DYNA程序中的单元  42-44
    2.2.6 碰撞分析中的材料模型  44-48
    2.2.7 接触算法与摩擦  48-51
第三章船和带有防撞装置的桥墩碰撞数值仿真  51-65
  3.1 引言  51
  3.2 猎德大桥9#桥墩防撞装置的选型及设计  51-52
  3.3 碰撞仿真有限元模型的建立  52-55
    3.3.1 结构的简化及单元尺寸的控制  52-53
    3.3.2 材料模型和失效准则  53-54
    3.3.3 接触的定义及摩擦力的影响  54-55
    3.3.4 船碰仿真计算中对流体影响的处理方法  55
  3.4 数值仿真的结果及分析  55-64
    3.4.1 碰撞力  55-56
    3.4.2 碰撞过程中的能量转换  56-58
    3.4.3 防撞装置及承台的损伤分析  58-63
    3.4.4 沙漏能对计算的影响  63-64
  3.5 结语  64-65
第四章防撞装置的参数分析及优化  65-73
  4.1 引言  65
  4.2 模型的简化  65-66
  4.3 圆管直径、角钢尺寸参数分析  66-68
    4.3.1 六种类型防撞装置的防撞性能  66-67
    4.3.2 防撞装置角钢和圆管设计原则  67-68
  4.4 撞击速度的变化对防撞装置的影响  68-72
  4.5 结语  72-73
结论与展望  73-75
  主要研究的工作总结与结论  73
  进一步的研究工作展望  73-75
参考文献  75-78
致谢  78-79
附录A  79

船桥碰撞理论及猎德大桥防撞装置的性能研究

内容摘要

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