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原文传递船舶撞击桥墩动力响应耦合分析及柔性防撞研究

论文题名：	船舶撞击桥墩动力响应耦合分析及柔性防撞研究
关键词：	桥墩保护;船舶撞击;动力响应;柔性防撞装置
摘要：	在船舶大型化不断发展，内河航道环境错综复杂的背景下，船舶和桥墩、船舶和防撞装置碰撞是一类十分典型的耦合问题。国内外学者已对碰撞问题进行了多年探索，但大多学者都将耦合作用以船舶附加质量的形式计入考虑，这一方法在某些情况会导致其计算结果失真，对现如今愈发大型的船舶与桥梁来说，引入单一的附加质量系数来考虑流场作用是不合适的；同时，对于防撞装置的设计亟需寻求改变，以往研究大都将防撞装置的性能聚焦于对桥墩的保护，而忽略对船舶的保护，分析防撞装置对二者保护的兼顾效果很有必要。　　本文依托导师中国技术市场协会团体标准制修订项目“航道桥防撞智能预警控制系统与成套防护装备技术要求”，采用大型有限元分析软件 ANSYS/LS-DYNA，以外环江津长江大桥为工程实例，基于附加质量法与耦合分析法构建船桥碰撞模型，并考虑柔性防撞装置，构建船舶-防撞装置-流场的耦合模型。其中，对碰撞过程中撞击角度、船舶载重、柔性防撞装置材料性能老化、船舶及柔性防撞装置浮态等方面进行了较细致的摸索，一定程度上完善了已有的研究，得出的系列结果能够对防撞装置设计、避碰技术提供工程参考，主要研究内容与结论如下：　　（1）对7000DWT内河散货船采用附加质量法与耦合分析法进行船桥撞击模拟，以船舶撞击角度、船舶载重为变量，通过不同的计算方法对其进行比较分析，对附加质量模型和耦合分析模型下船舶碰撞力曲线的变化趋势进行钻研，研究了两种模型中碰撞力、船舶损伤变形情况等方面的差异。采用不同撞击角度、不同载重作为工况，探讨了其对船桥碰撞的不利作用。分析表明，在正撞情况下，碰撞力峰值偏差约在5%内；侧撞情况下，碰撞力峰值偏差约在20%内。侧撞应采用耦合分析法，认为耦合分析法考虑流场对撞击过程带来的缓冲作用和“水垫”效应，船舶损伤将小于附加质量法且更符合真实情况。　　（2）为研究FRP自浮式防撞浮箱材料力学性能削弱幅度对防撞性能的影响，对某桥FRP自浮式防撞浮箱取样，以水位线上下为变量，制作箱壳构件和柱壳构件进行拉压弯力学性能试验。分析得出，两类构件水位线下的力学性能均小于水位线上，箱壳构件材料参数均大于柱壳构件，箱壳构件力学性能降低幅度约20%小于柱壳构件的30%；同时，进行船舶、桥墩及FRP自浮式防撞浮箱比尺模型碰撞试验，以波峰波谷为变量，通过 MeanShift算法进行目标跟踪，再采用 MATLAB仿真分析水流在不同状态时船舶和防撞浮箱二者浮态对撞击试验的影响并研究其运动轨迹。分析得出，在波浪力作用下二者浮态的改变更加剧烈。　　（3）防撞装置布设在桥墩上，以此进行船舶撞击FRP自浮式防撞浮箱的仿真模拟，以柔性防撞装置材料性能老化、船舶和柔性防撞装置浮态为变量进行研究。分析得出，FRP自浮式防撞浮箱因长期受到水体腐蚀和碰撞导致的结构受损，其防撞能力一定程度上会削减，波浪荷载作用的叠加导致撞击更严重；同时，将数值仿真得到的运动轨迹与比尺模型碰撞试验下的进行比对。分析得出，船艏运动轨迹采用视觉分析方法与有限元仿真得到的结果误差约在25%内，防撞浮箱运动轨迹采用两种方法得到的结果误差约在35%内。对初步分析二者运动轨迹来说，通过MeanShift算法进行视觉分析所得结论与数值仿真所得结论相比，一定程度上反映考虑耦合分析的撞击真实性。
作者：	陈虹侨
专业：	土木水利
导师：	唐亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023