船與橋墩的碰撞不僅會造成橋墩或船體結(jié)構(gòu)的損壞，還會造成人員傷亡、環(huán)境污染等災(zāi)難性后果。因此，在橋墩上安裝設(shè)計(jì)有效的防撞護(hù)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(shí)意義。國內(nèi)外學(xué)者對防撞護(hù)舷進(jìn)行了大量研究，在理論機(jī)理、數(shù)值模擬、試驗(yàn)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面都取得了一定的成果。

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

防撞護(hù)舷碰撞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

為了獲得安裝防撞護(hù)舷后最大碰撞力的許用值，首先需要計(jì)算在未安裝防撞護(hù)舷時(shí)，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(jì)算非常復(fù)雜。目前國內(nèi)外根據(jù)具體情況采用了不同簡化公式或規(guī)范進(jìn)行計(jì)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(nèi)河航道設(shè)計(jì)要求，最大碰撞力采用歐洲規(guī)范作為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)1000噸船舶以3.9m/s速度與橋梁相撞時(shí)， 最大碰撞力為30.2MN。安裝圓環(huán)形復(fù)合材料防撞護(hù)舷后， 其碰撞力許用值采用“最大碰撞力（MN）×52.4%”的標(biāo)準(zhǔn)，即內(nèi)河航道橋梁安裝防撞護(hù)舷后，1000噸船舶的船橋最大碰撞力應(yīng)不超過15.82MN。

碰撞試驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)果對比

本文采用有限元計(jì)算方法，對1000噸貨船與橋梁碰撞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而對圓環(huán)形復(fù)合材料防撞護(hù)舷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。而有限元模型的準(zhǔn)確性需要通過試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。由于船橋碰撞試驗(yàn)困難，因此，本文首先通過對復(fù)合材料防撞護(hù)舷試樣進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，并用有限元對落錘試驗(yàn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過結(jié)果對比確定圓環(huán)形復(fù)合材料防撞護(hù)舷材料屬性、單元類型等的選取原則，為獲得防撞護(hù)舷相對精確的有限元模型奠定基礎(chǔ)。

圓環(huán)形復(fù)合材料防撞護(hù)舷外殼與消能板以玻璃纖維板為材料，內(nèi)部以玻璃纖維芯柱作支撐，結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充聚氨酯泡沫作為耗能材料。這種材料和結(jié)構(gòu)的組合，既可以最大效能地發(fā)揮吸能作用，又可以避免結(jié)構(gòu)受沖擊而引起的大規(guī)模破壞。根據(jù)此結(jié)構(gòu)制作試驗(yàn)試樣，通過落錘沖擊試驗(yàn)，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(yàn)機(jī)CEAST9350上對試件表面進(jìn)行低速沖擊。試驗(yàn)結(jié)果與ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的一致性，說明采用ANSYS/LS-DYNA模擬計(jì)算圓環(huán)形復(fù)合材料防撞護(hù)舷的碰撞動力學(xué)特性具有足夠的可靠性。

碰撞模擬

1.防撞護(hù)舷結(jié)構(gòu)型式

防撞護(hù)舷的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循不阻礙航道的原則，因此在保障防撞性能的情況下，應(yīng)盡可能使防撞護(hù)舷的尺寸最小。本文主要對內(nèi)河航道1000噸船舶進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)，根據(jù)計(jì)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(nèi)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(hù)舷的消能效果有一定的影響，本文將其作為設(shè)計(jì)變量，在優(yōu)化后確定其準(zhǔn)確位置。圓環(huán)形防撞護(hù)舷的截面形式如圖1 所示。為了便于安裝、調(diào)換，設(shè)計(jì)的防撞護(hù)舷結(jié)構(gòu)通過分段組裝而成，分段長度6m。整個防撞護(hù)舷環(huán)繞橋墩一周安裝

2.船舶與防撞護(hù)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(zhǔn)確的有限元模型非常重要，但由于碰撞的復(fù)雜性往往不能按照實(shí)際結(jié)構(gòu)建立有限元模型。因此，在滿足船的強(qiáng)度需要的情況下對模型進(jìn)行簡化。本文對1000噸散貨船進(jìn)行船橋碰撞模擬， 模型結(jié)構(gòu)按照實(shí)際船體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)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(hù)舷有限元模型根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行建立，護(hù)舷板采用shell單元、芯柱采用beam單元，泡沫材料采用solid單元。因?yàn)榕鲎步佑|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(hù)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(jì)算中對防撞護(hù)舷與橋墩的接觸部位添加約束進(jìn)行控制，由于護(hù)舷與橋墩是柔性連接，因此護(hù)舷-橋墩之間最大碰撞力不大于船-護(hù)舷碰撞的最大碰撞力。圖3為船正向撞擊防撞護(hù)舷的有限元模型。

通過設(shè)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(jìn)行有限元模擬,圖4為防撞護(hù)舷消能板厚度和芯柱直徑均為3mm,消能板直徑為Φ1800mm時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果,途中碰撞力為船-護(hù)舷碰撞的最大碰撞力。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化評價(jià)指標(biāo)

船橋碰撞最大碰撞力Fmax、護(hù)舷變形大小S和船舶吸收能量E或護(hù)舷吸收能力E＊是護(hù)舷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)良的直接體現(xiàn)。顯然，F(xiàn)max越小越好；S則在保證Fmax的情況下，越小越好，這樣既可以保護(hù)橋梁，又可以使護(hù)舷不用一經(jīng)撞擊就要更換，延長護(hù)舷使用壽命；E則越小越好或E＊越大越好。但幾者之間有耦合，因此，本文采用權(quán)重法，綜合考慮三者確定防撞護(hù)舷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評價(jià)指標(biāo)OB為：

min[OB=W1×Fmax+W2×E+W3×S]

其中，W1、W2、W3為權(quán)重，本文分別取為0.7、0.2 和0.1。

設(shè)計(jì)變量的靈敏度分析

1．正交試驗(yàn)方案

防撞護(hù)舷的消能能力受到護(hù)舷板厚度、玻璃纖維芯柱直徑以及內(nèi)部消能板位置的影響，直接通過理論計(jì)算得到結(jié)構(gòu)參量非常復(fù)雜，通過數(shù)值模擬會計(jì)算很多次也難以確定，影響設(shè)計(jì)效率。而通過正交試驗(yàn)來選取厚度參數(shù)、玻璃纖維芯柱直徑參數(shù)和消能板位置參數(shù)，可以有效減少試驗(yàn)次數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率。本文設(shè)定護(hù)舷板厚度和玻璃纖維芯柱直徑取值相同，均以厚度參數(shù)表示。根據(jù)計(jì)算和生產(chǎn)實(shí)際情況，確定正交試驗(yàn)為2因子3水平，如表2所示。

根據(jù)試驗(yàn)因子個數(shù)和試驗(yàn)水平個數(shù)，選擇正交表擬定試驗(yàn)方案，具體如表3所示，OB作為正交試驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)。

2．靈敏度分析

根據(jù)表3的正交試驗(yàn)方案進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，將結(jié)果導(dǎo)出計(jì)算OB值，并將3個水平的均值極差填入表3。可以看到，厚度參數(shù)極差值幾乎是位置參數(shù)極差值的3倍，表明厚度參數(shù)對防撞護(hù)舷性能的靈敏性，遠(yuǎn)高于位置參數(shù)的靈敏性。

若單以最大碰撞力Fmax、護(hù)舷變形大小S或船舶吸收能量E為正交方案的評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)獲得的極差結(jié)果如表4所示。

顯然，厚度參數(shù)極差值均大于位置參數(shù)極差值，再次表明了厚度參數(shù)對防撞護(hù)舷性能的靈敏性高于位置參數(shù)。

基于Isigh平臺對防撞護(hù)舷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過正交試驗(yàn)計(jì)算分析結(jié)果可以看出，厚度參數(shù)和位置參數(shù)對防撞護(hù)舷的防撞效果有一定的影響。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果的望小原則，可選取較好的位置參數(shù)Φ2000mm為結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)，而對厚度參數(shù)運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA與Isight 集成優(yōu)化平臺相結(jié)合的方法再次進(jìn)行優(yōu)化。

設(shè)定厚度參數(shù)中玻璃纖維芯柱直徑D、護(hù)舷內(nèi)外板厚度T為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，參數(shù)空間擴(kuò)大為2mm≤D≤6mm， 2 m m ≤ T ≤ 6 m m ； 約束條件為船橋碰撞最大碰撞力Fmax≤15.82MN，防撞護(hù)舷的最大變形量S≤2500mm，以避免船穿透防撞護(hù)舷與橋墩相撞；評價(jià)指標(biāo)OB為優(yōu)化目標(biāo)值。優(yōu)化設(shè)計(jì)變量初始值選用4mm。

通過Isight優(yōu)化平臺對參數(shù)進(jìn)行探索，利用梯度算法尋找空間極值，可以獲得變量與目標(biāo)值三維空間分布圖

通過計(jì)算與分析，得到如下結(jié)論：

1.由于碰撞的強(qiáng)非線性特性，比例縮尺模型雖然不能直接反映實(shí)際碰撞過程，但可以通過相同工況的縮尺模型試驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)果對比，獲得復(fù)合材料防撞護(hù)舷的單元類型、材料屬性等的選擇原則，為獲得相對精確的實(shí)際結(jié)構(gòu)防撞護(hù)舷有限元模型提供依據(jù)。

2.通過正交試驗(yàn)法對防撞護(hù)舷的消能板厚度、芯柱直徑及消能板位置等變量進(jìn)行靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)消能板位置的靈敏度較低，可以在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中不作為設(shè)計(jì)變量， 而取Φ2000mm為結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)，從而有效縮小了優(yōu)化過程中設(shè)計(jì)變量的個數(shù)及取值范圍。

3.在正交試驗(yàn)法的基礎(chǔ)上，通過ANSYS/LS-DYNA和Isight平臺相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，獲得圓環(huán)形復(fù)合材料防撞護(hù)舷的結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)值為D=2.5mm、T=2mm。在該工況下，最大碰撞力6.63MN，遠(yuǎn)小于碰撞力許用值15.82MN， 防撞護(hù)舷的變性能為總能量的85.53%，撞深為1.25m。顯示了圓環(huán)形復(fù)合材料具有較好的結(jié)構(gòu)形式，能有效地保護(hù)橋梁和船舶的安全。復(fù)合材料防撞護(hù)舷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為防撞護(hù)舷最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選取提供了更加快速、準(zhǔn)確的方法。