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船桥碰撞理论及桥墩防护装置的研究

作　者: 杨柯
导　师: 杨美良
学　校: 长沙理工大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 船桥碰撞防撞装置仿真模拟能量吸收
分类号: U443.26
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,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越来越来严重,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。目前围绕桥梁防船撞的研究主要集中在碰撞过程中构件的损伤特性和能量吸收机制及桥梁防撞措施的有效性与实用性两方面。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,很难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,对碰撞的过程数值仿真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,分析各种桥墩防撞装置特点以及探讨船桥碰撞机理的基础上，针对株洲红港大桥桥墩的特点,提出了适合的桥墩防撞设施,并进行了设计。通过ANSYS/LS-DYNA软件对船桥相撞全过程进行了仿真计算,并结合参数分析,研究桥墩和防撞装置的防撞性能,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.分析研究了船桥碰撞机理、船桥碰撞数值仿真中所涉及的基本理论和关键技术,并对显式非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA作了介绍。2.概括了防撞装置的设计要求和分类,在介绍各种防撞装置的工作原理、适用范围及各自的优缺点的基础上,针对红港大桥所处流域段水位落差大,主墩为变截面,并且主墩通航净空有限制的特点,提出了浮式变截面防撞装置形式,并进行了设计3.仿真模拟了1000t货船正撞桥墩及带有防撞装置的桥墩碰撞的整个历程,研究了碰撞过程中两种工况下的桥墩损伤、碰撞力、能量、变形、应力等变化情况,分析其碰撞性能。4.通过对防撞装置的碰撞性能进行参数分析,比较了外钢围板材的厚度变化及撞击速度的变化对碰撞力及吸能效果的影响,提出了改善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  10-24
  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 研究的意义及重要性  11-12
  1.2 船桥碰撞机理的研究概况  12-22
    1.2.1 早期船桥碰撞经典理论  13-15
    1.2.2 近代船桥碰撞理论  15-17
    1.2.3 现在船桥碰撞机理的研究情况  17-19
    1.2.4 船撞力的研究  19-22
  1.3 本文主要研究工作  22-24
第二章船桥碰撞防撞装置设计  24-33
  2.1 桥墩防撞装置种类和应用概况  24-27
    2.1.1 防撞装置的分类  24-25
    2.1.2 防撞装置的特点  25-26
    2.1.3 防撞装置的应用现状  26-27
  2.2 红港大桥桥墩防撞装置的选型及设计  27-32
  2.3 本章小结  32-33
第三章船桥碰撞仿真的计算理论  33-47
  3.1 有限元碰撞仿真计算原理  33-41
    3.1.1 结构碰撞问题的特征  33-34
    3.1.2 非线性有限元控制方程  34-37
    3.1.3 显式中心差分算法  37-38
    3.1.4 显式积分的时步长控制  38-40
    3.1.5 有限元计算中的沙漏控制  40-41
  3.2 非线性有限元软件介绍  41-46
    3.2.1 软件简介  41-43
    3.2.2 ANSYS/LS-DYNA材料库介绍  43-46
  3.3 本章小结  46-47
第四章船桥碰撞仿真分析  47-58
  4.1 引言  47
  4.2 碰撞仿真有限元模型的建立  47-50
    4.2.1 结构的简化及单元尺寸的控制  47-48
    4.2.2 材料模型和失效准则  48-49
    4.2.3 接触的定义及摩擦力的影响  49
    4.2.4 船碰仿真计算中对流体影响的处理方法  49-50
  4.3 数值仿真的结果及分析  50-56
    4.3.1 不同工况的碰撞结果比较与分析  50-54
    4.3.2 防撞装置内能吸收情况及损伤情况  54-55
    4.3.3 沙漏能对计算的影响  55-56
  4.4 本章小结  56-58
第五章防撞装置参数分析及研究  58-66
  5.1 引言  58
  5.2 防撞结构外钢围刚度对防撞性能影响  58-61
  5.3 撞击速度变化对防撞性能的影响  61-65
  5.4 本章小结  65-66
结论与展望  66-68
  主要研究的工作总结与结论  66
  进一步的研究工作展望  66-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
附录攻读硕士学位期间发表学术论文情况  72

船桥碰撞理论及桥墩防护装置的研究

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