船與橋墩的碰撞不僅會造成橋墩或船體結構的損壞，還會造成人員傷亡、環(huán)境污染等災難性后果。因此，在橋墩上安裝設計有效的防撞護舷，以吸收撞擊能量、降低船橋碰撞力，提高船舶和橋梁的安全性，具有重要的現(xiàn)實意義。國內外學者對防撞護舷進行了大量研究，在理論機理、數(shù)值模擬、試驗方法、優(yōu)化設計等方面都取得了一定的成果。

由于復合材料防撞護舷具有重量輕、耐腐蝕，以及吸能能力更強，壓潰載荷分布更均勻等優(yōu)點，正受到越來越廣泛的重視。但是，目前對復合材料防撞護舷的優(yōu)化設計涉及甚少，為此，本文以復合材料防撞護舷為研究對象，在ANSYS/LS-DYNA和Isight平臺上，對圓環(huán)形復合材料防撞護舷的結構進行優(yōu)化設計，為結構參數(shù)的選取提供依據(jù)。

防撞護舷碰撞設計標準

為了獲得安裝防撞護舷后最大碰撞力的許用值，首先需要計算在未安裝防撞護舷時，船橋碰撞的最大碰撞力。而影響船橋碰撞力大小的因素眾多，理論計算非常復雜。目前國內外根據(jù)具體情況采用了不同簡化公式或規(guī)范進行計算，比較常用的有：AASHTO規(guī)范、歐洲規(guī)范、我國公路規(guī)范、我國鐵路規(guī)范和woisin修正公式等，每個簡化公式都有一定的適用范圍。

本文根據(jù)內河航道設計要求，最大碰撞力采用歐洲規(guī)范作為標準。當1000噸船舶以3.9m/s速度與橋梁相撞時， 最大碰撞力為30.2MN。安裝圓環(huán)形復合材料防撞護舷后， 其碰撞力許用值采用“最大碰撞力（MN）×52.4%”的標準，即內河航道橋梁安裝防撞護舷后，1000噸船舶的船橋最大碰撞力應不超過15.82MN。

碰撞試驗與有限元計算結果對比

本文采用有限元計算方法，對1000噸貨船與橋梁碰撞過程進行數(shù)值模擬，進而對圓環(huán)形復合材料防撞護舷的結構進行優(yōu)化設計。而有限元模型的準確性需要通過試驗結果進行對比驗證。由于船橋碰撞試驗困難，因此，本文首先通過對復合材料防撞護舷試樣進行落錘沖擊試驗，并用有限元對落錘試驗過程進行數(shù)值模擬。通過結果對比確定圓環(huán)形復合材料防撞護舷材料屬性、單元類型等的選取原則，為獲得防撞護舷相對精確的有限元模型奠定基礎。

圓環(huán)形復合材料防撞護舷外殼與消能板以玻璃纖維板為材料，內部以玻璃纖維芯柱作支撐，結構內部填充聚氨酯泡沫作為耗能材料。這種材料和結構的組合，既可以最大效能地發(fā)揮吸能作用，又可以避免結構受沖擊而引起的大規(guī)模破壞。根據(jù)此結構制作試驗試樣，通過落錘沖擊試驗，模擬船橋碰撞情況。首先將制作的試樣置于環(huán)境箱中的剛性臺面，然后用直徑25.4mm的半球形錘頭在落錘沖擊試驗機CEAST9350上對試件表面進行低速沖擊。試驗結果與ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬結果具有較好的一致性，說明采用ANSYS/LS-DYNA模擬計算圓環(huán)形復合材料防撞護舷的碰撞動力學特性具有足夠的可靠性。

碰撞模擬

1.防撞護舷結構型式

防撞護舷的設計應遵循不阻礙航道的原則，因此在保障防撞性能的情況下，應盡可能使防撞護舷的尺寸最小。本文主要對內河航道1000噸船舶進行防撞設計，根據(jù)計算和橋梁的尺寸，將圓環(huán)形外觀尺寸確定為外圈直徑Φ2500mm，內圈直徑Φ1500mm。玻璃纖維芯柱均勻分布， 消能板位置由其直徑確定。由于其直徑的大小對防撞護舷的消能效果有一定的影響，本文將其作為設計變量，在優(yōu)化后確定其準確位置。圓環(huán)形防撞護舷的截面形式如圖1 所示。為了便于安裝、調換，設計的防撞護舷結構通過分段組裝而成，分段長度6m。整個防撞護舷環(huán)繞橋墩一周安裝

2.船舶與防撞護舷碰撞有限元模擬

在船橋碰撞的數(shù)值仿真過程中，建立準確的有限元模型非常重要，但由于碰撞的復雜性往往不能按照實際結構建立有限元模型。因此，在滿足船的強度需要的情況下對模型進行簡化。本文對1000噸散貨船進行船橋碰撞模擬， 模型結構按照實際船體結構尺寸進行建立，船的主要參數(shù)如表1所示，整個船體采用shell單元。防撞護舷有限元模型根據(jù)設計結構的變化進行建立，護舷板采用shell單元、芯柱采用beam單元，泡沫材料采用solid單元。因為碰撞接觸在局部發(fā)生，產(chǎn)生的碰撞損壞也在局部，為了提高仿真速度， 防撞護舷的仿真模型簡化為安裝在橋墩上的一部分。而由于橋墩剛性大，在碰撞過程中變形小，對船、橋的影響較小，因此省略了橋墩有限元模型。在計算中對防撞護舷與橋墩的接觸部位添加約束進行控制，由于護舷與橋墩是柔性連接，因此護舷-橋墩之間最大碰撞力不大于船-護舷碰撞的最大碰撞力。

通過設置單元類型、材料屬性、接觸算法及添加約束控制后,對船橋碰撞過程進行有限元模擬,圖4為防撞護舷消能板厚度和芯柱直徑均為3mm,消能板直徑為Φ1800mm時的數(shù)值模擬結果,途中碰撞力為船-護舷碰撞的最大碰撞力。