详情

原文传递加装防撞浮箱桥墩的流场及船撞分析

论文题名：	加装防撞浮箱桥墩的流场及船撞分析
关键词：	船撞桥问题;水动力特性;流固耦合;仿真分析
摘要：	内河航道的整治使长江段通航等级提高，通航吨位持续增大，使得船撞桥问题概率增加。船撞桥问题是典型的流固耦合问题，船在流域中航行时会对周围流场产生影响，船舶与桥墩等结构物发生撞击时，船舶会在瞬时产生强烈运动响应，此外，在撞击过程中，受到船舶影响的流场又会反过来影响船撞桥过程，对船舶运动和变形造成影响，这两者的相互作用形成了船-桥结构物与周围流场的流固耦合作用。在以往的研究中，受限于计算能力和软件平台，对于船撞桥问题中流体的影响常用附加质量系数表示，这对于计算撞击过程中产生的最大撞击力是有帮助的，可更快的求解出撞击力，但是附加质量法未考虑到流场对船舶的具体影响，对于完整反应整个撞击过程有所限制，所以流固耦合法在船撞桥问题的研究上更具有优势。本文基于ABAQUS和STAR-CCM+进行联合仿真流固耦合法研究船撞桥问题，使用ABAQUS求解固体域，使用STAR-CCM+求解流体域，能够同时考虑到船舶-桥墩等固体结构物和流体域对撞击过程的影响。　　本文根据长江流域（重庆段）航道通航情况和相关资料，选取适航船型作为设撞船舶，在ABAQUS中建立基于附加质量法的船撞桥墩模型，在ABAQUS和STAR-CCM+中建立基于流固耦合法的联合仿真船撞桥墩模型。本文从不同角度和不同速度研究船撞桥墩过程船桥动力响应和水动力特性，然后加装防撞浮箱探究浮箱对撞击结果的影响。本文主要研究内容如下：　　（1）选取重庆牛角沱嘉陵江大桥进行船撞桥研究，在 ABAQUS 中建立船撞桥模型，探究撞击过程中船舶的动力响应和船舶受损情况，将仿真结果与规范和经验公式计算结果进行对比，从而验证 ABAQUS 研究船撞桥问题的可行性；在STAR-CCM+中建立该船型裸船体自航模型，将STAR-CCM+得到的阻力值与实验值进行对比，并比较不同网格数量对计算结果的影响，验证 STAR-CCM+做水动力仿真的可靠性和网格无关性。　　（2）对防撞浮箱类型进行论证，最终确定本文所使用的钢套防撞浮箱参数与尺寸，然后基于此防撞浮箱在ABAQUS和STAR-CCM+中建立流固耦合法下的船撞加装防撞浮箱的桥墩仿真模型；简述联合仿真设置技术难点，然后基于ABAQUS 进行不同附加质量系数的船撞桥墩仿真计算，基于 STAR-CCM+和ABAQUS进行相同工况下船撞桥墩流固耦合法仿真计算，探究附加质量系数与碰撞力峰值的关系，分析这两种方法下的船舶损伤变形、碰撞应力时程曲线，并对两种方法进行比较，探究这两种方法的异同和撞击过程流体对于撞击结果的影响。　　（3）在完成附加质量法和流固耦合法异同验证后，以 ABAQUS 和 STAR-CCM+进行联合仿真流固耦合法研究船撞桥。在正撞的情况下，设置三组速度（v=2,4,6），分析不同速度下的撞击应力曲线和应力应变云图，分析不同工况下的流场情况和波高情况，从而探究船舶速度对撞击结果的应力应变影响和水动力特性影响；在最大速度 v=6m/s 下，设置四组碰撞角度（α=45°，60°，75°， 90°），探究船舶撞击角度对撞击结果的应力应变影响和水动力特性影响。　　（4）探究防撞浮箱对撞击结果的影响，在（3）所列工况的基础上，选择最大速度下不同角度船撞桥墩的工况，对桥墩加装厚度为 20cm 的防撞浮箱，探究加装防撞浮箱之后船-桥墩和浮箱-桥墩之间的撞击应力曲线变化情况，比较加装防撞浮箱之后桥墩受到的最大撞击应力变化情况，比较加装防撞浮箱之后流场变化和波高变化情况，从而得到加装防撞浮箱之后对撞击结果的应力应变影响和水动力特性影响。　　（5）在（4）的基础上，设置三组不同尺寸（厚度=20cm，25cm，30cm）的防撞浮箱，比较不同尺寸防撞浮箱情况下，桥墩承受的最大撞击应力变化情况，比较不同尺寸下浮箱-桥墩间的撞击应力曲线差异，并比较流场情况和波高情况，探究防撞浮箱尺寸对撞击结果的影响，综合经济性和保护性从而对防撞浮箱的尺寸做出合适的选择。
作者：	胡茂林
专业：	船舶与海洋工程
导师：	冀楠
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023