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长江中下游浮码头系留趸船的柔性定位墩的结构受力特性研究及结构

发布时间:2019-05-19 23:40 来源:未知 编辑:admin

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  长江中下流浮船埠系留趸船的柔性定位墩的布局受力特征研究及布局优化

  MechanicalCharacteristics Barge-Tethering Flexible Positioning Pier FloatingDocks YangtzeRiver ItsStructural Optimization ADissertation Submitted MasterCandidate:Hao Hao Supervisor:Prof.Wang Duoyin Prof.Wang Haisheng Chongqing Jiaotong UniversityChongqing,China 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人慎重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指点下,独立进行研究 工作所取得的功效。除文中曾经说明援用的内容外,本论文不包含任何其他小我 或集体曾经颁发或撰写过的作品功效。对本文的研究做出主要贡献的小我和集 体,均已在文中以明白体例标明。本人完全认识到本声明的法令成果由本人承 日期:>olq-年6月弓曰重庆交通大学学位论文版权力用授权书 本学位论文作者完全领会学校相关保留、利用学位论文的划定,同意学校保 留并向国度相关部分或机构送交论文的复印件和电子版,答应论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学能够将本学位论文的全数内容编入相关数据库进行检 索,能够采用影印、缩印或扫描等复制手段保留和汇编本学位论文。同时授权中 国科学手艺消息研究所将本人学位论文收录到《中国粹位论文全文数据库》,并 进行消息办事(包罗但不限于汇编、复制、刊行、消息收集传布等),同时本人 保留在其他媒体颁发论文的权力。 学位论文作者签名:拜海 指点教师签名:叼妙 日期:为f妒年 日本人同意将本学位论文提交至中国粹术期刊(光盘版)电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布,并按《中国优良博硕士学位论文全文数据库出书章程》规 定享受相关权益。 学位论文作者签名:薅p终 日期:刀年 ‘月多Ft 指点教师签名:%陟 摘要跟着船舶大型化的成长,浮船埠的趸船尺寸也在不竭增大,保守的系留趸船的体例如锚链和撑杆系统难以满足大型趸船的定位要求。为提高浮船埠泊位的靠 泊能力,工程上采用定位墩布局形式来系留大型趸船。文章恰是在这种布景下对 定位墩进行告终构受力特征研究以及布局优化,次要内容如下: 起首,连系长江中下流浮船埠系留趸船的定位墩布局,在总结国表里对船舶. 布局碰撞机理研究的根本上,采用外部碰撞机理中的Minosky理论解析法作为船 舶.趸船.定位墩系统碰撞的阐发方式,推导船舶无效撞击能量的简化计较公式。并 研究船舶撞击分歧高程时船舶撞击力与船舶无效撞击能量的关系。 其次,依托芜湖市富航物流无限公司船埠扶植工程,使用ANSYS无限元阐发 软件成立了定位墩布局的简化数值模子,考虑布局白重、风荷载、水流力、船舶 撞击力、船舶系缆力和船舶挤靠力的感化,并对以上几种荷载进行最晦气感化效 应组合,计较分歧工况下定位墩布局的最大位移和各构件的内力值。按照各类工 况下轴力、剪力和弯矩极值呈现的位置,阐发定位墩布局受力最亏弱的位置,并 判断定位墩布局前后排钢管桩受力不服均性。 然后,连系定位墩布局受力最亏弱的位置和前后排桩受力不服均的环境,对 定位墩布局的钢斜撑提出两种优化方案,别离是针对钢斜撑的毗连位置的优化和 钢斜撑所采用材料的优化。通过对统一截面处前后排桩轴力、剪力和弯矩差值的 阐发,判断定位墩布局前后排桩受力不服均性能否降低。 最初,在对定位墩布局钢斜撑材料优化的根本上,对定位墩布局钢管桩提出 桩径、桩距和桩数三种优化方案。计较分歧桩径、分歧桩距下的定位墩布局桩顶 位移,绘出桩顶位移与桩径桩距的关系曲线,并在桩径和桩距优化的根本上,提 出一种最佳的三根桩定位墩布局的优化方案,比力三根桩与四根桩的定位墩布局 受力平均性。 环节词:定位墩,船舶无效撞击能量,桩顶位移,布局优化,钢斜撑 ABSTRACT With ship’slarge.scale,the size floatingdock’s barge constantlyincreasing.The traditional way structsvstem can largebarge positioning.To improve berthingcapacitv floatingberthusing positioningpier largeberge.Under circumstance.thispaper study mechanicalcharacteristics ot positioning pier itsstructural optimization.The main contents follows:First,comb证mg barge.tetheringpositioning pier floatingdock Y-觚斑zeRiver,Basing ship-structurecollision akoad,theMinosky theory externalcollision mechanism can sllip.barge.positioningpier system collision shipeffective impact energy.and relationshipbetween ship impact force shiDeffective impact when shipcollide different elevations positioningpler. Secondly'relying logisticslimited wharf construction project Wuhu,asimDlified numerical model positioningpier ANSYSfinite element analvsis software.Considering weightofthe structure,wind load,water power,snlp imDact force,ship mooring force shipbreasting force,the maximum displace眦nt internalfbrce everycomponent positioningpier calculatedaccording mostunfavorable combmation loadeffects about those loads.The weakest position positioniIlgpier can forceinhomogeneity rearpiles positioningpier can he judged according extremeforce aXlalforce, shear force everycomponent. Then,combiIliIlg weakestposition forceinhomogeneity rearpiles ofpositioning pier,the paper supply two kinds ofoptimization program steeldiagonal bracing positioningpierthe two kinds optimizationinclude steeldiagonal bracing.Which forceinhomogeneity rearpiles positioningpier axialforce,shear force samesection. Finallythree kinds optimizationwhich pilesoptillAi2ration can proposedbased materialoptimization steeldiagonal bracing poskioningpier.Pile top displacement posKioningpier calculatedunder di扫融rentdiameter differentspacing,and drawnwhich IS IIrelationship between pile top displacement paperdiscover bestoptimization threepiles positioningpier based spacingoptimization steelpile,and forceuniformity threepiles fourpiles ofpositioning pier. KEY WORDS:positioning piership effective impact energypile top displacement, structural optimization,steel diagonal bracing III 目次第一章绪论….....…。.…...…...…............…...1 1.1选题布景及研究意义……………………………………………………….1 1.2船舶.布局碰撞研究现状……………………………………………………3 1.2.1外部碰撞机理研究现状……………………………………………一4 1.2.2内部碰撞机理研究现状……………………………………………一7 1.3定位墩布局研究现状及具有的问题………………………………………10 1.4本文次要研究内容…………………………………………………………11 第二章定位墩布局承受船舶撞击力计较………………….12 2.1基于理论阐发的船舶无效撞击能量简化计较公式……………………….12 2.1.1公式推广……………………………………………………………12 2.1.2实例计较……………………………………………………………14 2.2船舶撞击第一层钢联系梁时船舶撞击力的计较………………………….16 2.2.1桩项位移、定位墩吸能量与船舶撞击力的关系…………………..1 72.2.2橡胶护弦反力与橡胶护弦吸能量的关系…………………………..18 2.2.3船舶撞击力与船舶无效撞击能量的关系…………………………一20 2.3船舶撞击其他层钢联系梁时船舶撞击力的计较…………………………,21 2.3.1船舶撞击第二层钢联系梁时船舶撞击力的计较…………………一21 2.3.2船舶撞击第三层钢联系梁时船舶撞击力的计较…………………..23 2.3.3船舶撞击第四层钢联系梁时船舶撞击力的计较…………………..26 2.4分歧高程处船舶撞击力的阐发……………………………………………28 2.5本章小结…………………………………………………………………一29 第三章定位墩布局数值模仿阐发.…….….……..……..30 3。】无限元理论及使用…………………………………………………………30 3.2定位墩布局数值模子………………………………………………………32 3.2.1布局特点阐发………………………………………………………32 3.2.2单位类型选择和材料参数设定…………………………………….33 3.2.3几何模子成立及网格划分………………………………………….34 3.3荷载感化…………………………………………………………………一34 3.3.1布局自重……………………………………………………………34 3.3.2风荷载………………………………………………………………35 3.3.3水流力………………………………………………………………36 3.3.4船舶荷载……………………………………………………………38 3.4荷载组合…………………………………………………………………~39 3.4.1工况一………………………………………………………………40 3.4.2工况二………………………………………………………………42 3.4.3工况三………………………………………………………………44 3.4.4工况四………………………………………………………………47 3.4.5工况五………………………………………………………………49 3.4.6工况六………………………………………………………………5 13.5成果阐发…………………………………………………………………..53 3.5.1定位墩布局受力亏弱位置………………………………………….53 3.5.2定位墩布局前后排钢管桩受力不服均性…………………………..54 3.5.3建议…………………………………………………………………55 3.6本章小结…………………………………………………………………..55 第四章定位墩布局优化………………………………56 4.1钢斜撑优化……………………………………………………………….56 4.1.1位置优化……………………………………………………………56 4.1.2材料优化……………………………………………………………59 4.2钢管桩优化………………………………………………………………..61 4.2.1桩径优化……………………………………………………………61 4.2.2桩距优化……………………………………………………………61 4.2.3桩数优化……………………………………………………………62 4.3本章小结…………………………………………………………………..64 第五章结论与瞻望………………….………………65 5.1次要结论………………………………………………………………….65 5.2建议与瞻望……………………………………………………………….66 5.3竣事语…………………………………………………………………….66 称谢....................................................67 参考文献….…….……………………………….68 在学期间颁发的论著及取得的科研功效.........….…….…71 第一章绪论1.1选题布景及研究意义 第一章绪论 长江是我国第一大河道,也是唯逐个条贯穿西、中、东部,流径九省两市的 水路交通大通道。据统计,长江畔流和主流的通航里程已达6.5万多公里,占全国 所有内河通航里程的52%,长江水系水上货运总量占到了全国各洪流洗货运总量的 80%;同时,长江航运完成了沿江85%的铁矿石、83%的石油、85%的煤炭货色运 输量,以及长江中上游90%的外贸货色运输量:除此之外,长江沿江两岸堆积了近 200家的全国500强企业。长江航运作为保持沿海与内地两个区域,国表里两大市 场的运输纽带,曾经成为长江流域大宗货色和外贸运输的主干力量。现现在,长 江航运以“运能大、成本低、效益高、能耗小、污染轻、占地少”的劣势,在沿江社 会经济成长和分析运输系统傍边,拥有很是主要的地位,阐扬着十分主要的感化。 按照方育平【lJ研究,长江畔线通航航路从四川宜宾至上海吴松口,全长 2173km。按照河床特征可分为上游、中游和下流三个河段。按照水位落差的分歧, 分歧河段口岸船埠布局型式也有显著差别。长江中下流从湖北宜昌至上海吴松口, 全长1769km,水位落差在3~16r晓间,两岸地势平展,水流平缓,地质地貌特征 为第四纪河相冲积层。船埠的布局型式以直立式船埠、浮船埠和斜坡船埠为主。 直立式船埠次要为透空式桩基布局。为了避免过多改变水的流态和削减船埠 岸坡淤积,一般不采用重力式船埠和板状船埠。按照徐俊杰【2J的研究,架空直立式 船埠顺应洪流位差能力强,系靠泊操作便利,船埠前沿线固定,装卸功课时泊稳 前提好,装卸运输距离短,装卸效率高。但架空直立式船埠布局高度大,构件多, 造价较高,顺应工艺荷载变化或超载的能力差,并且该类船埠的货种次要限于集 装箱及大宗件杂货,对散货或轻泡件杂货的合用性较差。 浮船埠合用于水位变幅较小的环境,在河港和海港中都被采用。考虑到挪动 式装卸机械在趸船上运转未便,所以集装箱船埠和件杂货船埠很少采用浮船埠结 构形式。对于客运船埠、工作船船埠、渔船埠和采用固定式装卸机械的散货船埠 常采用浮船埠的布局形式。别的,在内河油船埠中,因为用油管装卸船,所以采 用浮船埠也很便利。浮船埠答应引桥有较大的坡度,需要时,还能够加设固定引 桥来增大趸船前沿水深,以停靠较大吨位的邮轮【3】。 斜坡船埠合用于水位变化较大的环境,如天然河道的中游与下流的口岸。其 布局简单建筑速度快,工程造价低,对水位变化的顺应性强。当水位变化时,趸 重庆交通大学硕士结业论文 船需经常移泊,移泊功课麻烦;此外,因为装卸机械设在趸船上,装卸功课受风 浪影响,所以船埠通过能力遭到限制【3J。 因而,在长江中下旅客运船埠、工作船船埠、油船埠和散货船埠中,浮船埠 布局形式以其布局简单,造价较低,灵活矫捷、挪动便利等长处而被普遍采用。 浮船埠凡是由趸船、趸船的锚系和支持设备、引桥及护岸等构成。按照张平等人【4J 的研究,趸船最常见的定位体例为锚链系统,在趸船的首尾各配3只锚(两头为主 锚),呈交叉安插,如许可充实操纵趸船宽度,削减锚链及锚伸出船宽的距离;如 果具有上下流水流速度差时,可在水流速大的船端多设1只锚。趸船碰到水位差较 大或锚链链径较大环境时还应设置电动绞链设备,以调整水中锚链的松紧程度。 若是靠泊船舶较大且不答应趸船有较大位移或不答应抛外锚的河港船埠,可采用 撑杆系统系留趸船。撑杆系统应设置撑杆和撑杆墩。撑杆宜安插在趸船两头部5~ lOre范畴内。若是因为水域限界或水底土质等缘由不答应抛锚,或靠泊船舶较大而 趸船不答应有较大位移时,可采用定位墩系留趸船。定位墩安插于趸船内侧端, 也可安插于趸船首尾布局内。 跟着船舶大型化的成长,长江航运品级不竭提高。为制造长江黄金水道,其 中宜昌至城陵矶段航道水深3.5m,可通航由2000~3000吨级驳船构成的6000至1万 吨级船队;城陵矶至武汉段航道水深3.7m,可通航由3500吨级油驳船构成的万吨 级油运船队,操纵天然水深通航3000吨级海船;武汉至安庆段航道水深达到4.5m, 可通航由2000吨或5000n屯驳船构成的2--4万吨级船队、操纵天然水深通航5000P屯 级海船;安庆至芜湖段航道水深达到6.Om,芜湖至南京段航道水深达到7.5m,可 通航由2000D屯或5000n屯驳船构成的2---4万吨级船队,操纵天然水深通航1万吨级海 船;南京以下航道水深达到12.5m,可通航50000吨级海船。 长江中下流浮船埠趸船的尺寸跟着通航能力的提高而不竭地加大。大型船舶 的运营不只带来规模经济效应,同时也对口岸功能提出了新的挑战,如船埠泊位 的靠泊能力、船埠前沿港池水深、口岸根本设备扶植、装卸工艺功课效应及后方 堆场集疏运情况等。为满足船舶大型化成长,降低水运运输成本进而且提高口岸竞 争能力,增大口岸的出产能力,提高口岸装卸效益,在包管船埠布局平安运转的前 提下,提高船埠泊位的靠泊能力。康立生等【5J通过对船埠所承受的船舶荷载及响应 的船舶荷载感化下船埠布局的应变和位移进行现场实测,阐发船埠布局的现实受 力形态,而且与船埠布局计较进行彼此校核和验证,分析评价和论证船埠布局提 高靠泊能力的可行性。周世良等【6】按照斜坡式船埠现有根本设备前提、靠泊船型、 船埠泊位出产运营环境、系锚设备、地点河段航道前提等方面的材料,对船埠泊 位的靠泊能力评估方式进行阐发研究,对平安性不满足要求的环境提出准确的解 决办法,这些对指点库区斜坡式船埠的靠泊能力评估具有主要参考价值。趸船的 第一章绪论 标准影响浮船埠的靠泊能力,浮船埠在靠泊5000n屯级的船舶时,其趸船大小一般 为10020m;在靠泊3000吨级的船舶时,其趸船大小一般为6513m。趸船尺寸的 加大对定位趸船的系统提出了更高的要求。 因而,在长江中下流浮船埠常采用定位墩系统来系留趸船,以满足大型船舶 的停靠。定位墩系统在系留趸船的过程中,承受船舶靠泊时的撞击力、挤靠力和 系缆力以及风和水流力对趸船及其本身的感化。船舶撞击力通过趸船而传送到定 位墩上,定位墩间接承受船舶撞击力的感化。目前国表里对船舶的撞击能量在趸 船与定位墩系统中的传送机理研究较少, 有一个较好的定量确定方式和计较公式。 船.定位墩系统中的传送机理。 1.2船舶一布局碰撞研究现状 真正感化在定位墩上的撞击力有多大没 因而,有需要研究船舶撞击力在船舶.趸 船舶.布局碰撞问题的研究涉及到多个学科,船舶.布局碰撞阐发需要分析布局 力学、断裂与毁伤力学、塑性力学、流体力学、材料力学、水动力学以及板壳力 学等浩繁学科的学问。船舶与布局的的碰撞过程具有着大量的非线性现象,如材 料非线性、几何非线性、接触非线性和活动非线性等,这四种非线性物理现象的 分析感化使船.布局碰撞过程的描述和切确求解变得好不容易。 王自力和顾永宁【7】采用非线性动态响应阐发方式,对船舶双层舷侧布局的碰撞 毁伤过程进行了研究。通过一个典型算例,调查了某集装箱船双层舷侧布局在刚 性体碰撞下的变形和分裂过程,切磋了双层舷侧布局各个组件的吸能特征和毁伤 特点,所得的成果能够描述双层舷侧布局碰撞的一般现象。Amante等峭J考虑几何 非线性与材料非线性,研究受供应船撞击后的半潜式平台圆筒的抗弯强度,并与 完整的半潜式平台的极限抗弯强度进行比力阐发,林一等【9】基于非线性动力学阐发 方式,以某300t工作水深的自升式平台为例,提出了一种考虑初始形态和残剩强 度的自升式平台与船舶碰撞布局阐发方式。胡志强等lloJ为了研究NORSOK规范和 API规范入彀算导管架立柱布局抗撞机能公式的合用性,以一艘守护船侧向撞击立 柱布局场景为研究对象,采用数值仿真手艺,阐发在分歧撞击点和立柱布局设想 准绳前提下的碰撞力—撞深曲线等机能,并与NORSOK规范和API规范公式计较结 果进行比力,获得YNORSOK规范和API规范公式的合用性准绳。 按照罗利11】的研究,船舶.布局碰撞的力学机理凡是分为外部机理与内部机理。 外部机理次要研究船舶与布局的外部动力学,考虑船舶在四周流场影响下的刚体 活动,碰撞过程中能量的削减被视作船舶与布局的能量耗损。而内部机理则偏重 于阐发船舶与布局的碰撞响应,吸能机制和毁伤变形。Pedersen署-IZhang[121对船舶 重庆交通大学硕士结业论文 与海洋平台的碰撞外部机理进行了阐发,认为海洋平台的全体弹机能够降低碰撞 中的布局毁伤。Gjerde等[13】对船舶与导管架平台的碰撞机理进行了研究,对碰撞程 度分类,平台构件失效机理,碰撞质量、位置和速度的影响,以及碰撞的力学机 理进行了阐发,并提出了一组阐发模子。分析考虑船舶一布局碰撞过程中外部机理 和内部机理,才能精确地反映船舶.布局的碰撞环境,所得出的船舶撞击力才能客 观地反映现实环境。 1.2.1外部碰撞机理研究现状 研究船舶.布局碰撞外部机理次要有三种路子:解析法、数值解法和物理模仿 方式。解析法是按照一般刚体动力学中的动量守恒定理求出碰撞过程中的动能损 失的一种方式,其具有代表性的是Minorsky理论【14】。数值解法例是使用简化的非 线性无限元进行的船舶与布局的碰撞阐发方式,此中Pedersen[15】方式最具代表性。 物理模仿方式是通过成立物理模子来阐发船舶与布局碰撞的方式。 OMinorsky理论【14】 Minorsky是研究船舶碰撞问题的前驱【111,次要是将船舶碰撞问题分为两个相 互独立的部门,即动能丧失和布局毁伤,并用统计阐发方式将它们联系在一路。 而且第一次测验考试将分为外部动力学与内部动力学区分隔来,在外部动力学上, Minorsky理论将船舶碰撞中的动能丧失用完全非弹性碰撞理论来求解,碰撞中水 的影响用附连水质量来取代,碰撞后船与船的速度由动量守恒定理求出,碰撞过 程中的动能丧失按照能量守恒定理求出。假设碰撞中的动能丧失将完全转化为结 构的变形吸能,由布局的毁伤来承担。 他起首调查了活动船舶ml侧向垂直撞击静止船舶的环境,被撞的静止船舶 m2四周水的影响用附连水质量din2来近似取代,碰撞后活动船舶与静止船舶的共 同速度V按照动量守恒定理: ml、H——活动船舶碰撞时的质量(kg)、速度(m/s);m2.圪——静止船舶碰撞时的质量(kg)、速度(m/s); 卜两艘船相撞后沿撞击标的目的活动的速度(m/s); ‰——四周水体影响被撞船舶的附连水质量(kg)。 凡是环境下,两艘船相撞并非垂直相撞,设活动船舶撞击角度为oc。在垂直于 被撞船舶的标的目的,按照动量守恒定理有: m1V1sina+m2K=(m1+m,+咖,)V 第一章绪论此中,被撞船舶是静止的,故圪=O。可求得碰撞后的配合速度为: sin口(1-3) ml+m2+dm2‘ 碰撞前后系统的动能差即为在碰撞过程中耗散的动能丝 M(啊n计一l(ma+m2砌:)y2=丢慨(删n酊(1-4)式中,k=(m2+dm2)/(ml+m2+‰)为碰撞过程中能量接收系数,可由图1.1查得。 由图1.1可见k与附连水质量dm2和相撞船舶质量比r/=ml/m2相关。 碰撞系统能量接收系数k图1.1能量接收系数k与附连水质量和船舶质量比的关系 P.T.Pedersen[151方式 Pedersen阐发了二维环境下的船舶碰撞活动过程。假设相撞船舶只在碰撞点处 发生彼此感化,所有变形均发生在碰撞点附近,并用四个非线性弹簧来模仿,船 体的其余部门则视为刚体处置。船体上的感化力包罗撞击力和流体动力,撞击力 设为撞击深度的函数,流体动力采用切片理论【16】进行计较。所成立的船.船碰撞系 统的数学模子为: 【M——船舶和附连水质量矩阵;X(to+出)——妒出时辰船舶的加快度矢量; [C(f0)】——幻时辰的阻尼矩阵; 重庆交通大学硕士结业论文 i(to+出)叫+出时辰船舶的速度矢量; 瞅,o)】——-,o时辰的刚度矩阵; 卜船舶广义位移瞬态增量; 陋(D卜一水动力矩阵; 五(硒卜幻时辰船舶撞击力矢量。 假定在一个时间步长内,加快度是线)的积分格局可写为: 将(2.6)代入(2.5)可求出加快度增量,然后求得速度增量,进而获得新的撞击深度,求出新的撞击力。 样便条域法 基于Petersen的研究,王向坚【17-181操纵样便条域法阐发了船舶撞击船埠的非线 性动力响应问题。如图1.2所示。 图1.2船舶.护弦一船埠构成的复合系统简图 假定船舶为自在浮体,只考虑ul(横移)、Wl(平转)、W2(横摇)三个自在 度。船埠桩台为平面刚块,具有u2(横移)、v1(纵移)、W3(平转)三个自在度, 桩基肆意安插。由“船舶一护弦一船埠”构成的复合系统的位移排阵为: w1w2甜2 Hw3】, (1.7) 当船舶以法向速度v。驶靠船埠时,通过橡胶护弦(非线性弹簧Kd)使复合系 统发生振动,该复合系统的非线性动力响应问题转化为具有初始速度的多自在度 第一章绪论系统的非线性振动的阻尼响应问题,非线性复合系统的振动方程为: 000o援用样条加权残值子域法求解布局非线性系统的振动方程,获得复合系统的位 移排阵{6),并由下列公式计较桩顶嘴击动反力: 《=疋(“2一WaY) 尸广一程度动反力的合力;由此求得船埠遭到的船舶撞击力为: E=Kd(“l—wit2+w2Hcosa一“2+%r1) (1—10) 该撞击力能够用来验算船舶及防冲设备吸能效率。 别的,梁文娟‘161考虑了碰撞区布局变形的三维特征和船体的六自在度活动, 将Petersen的二维方式成功地推进到三维。 1.2.2内部碰撞机理研究现状 比拟于外部碰撞机理,内部碰撞机理不断遭到更多的关心和注重,它是目前 船舶与布局碰撞的次要研究内容。内部碰撞机理的研究方式次要有:经验法、简 化解析法和无限元数值仿真法【ll】。 经验法 Minorsky[141针对核动力军舰的设想、核电站的防护以及其他海洋布局的防撞 庇护问题,研究了26起船船碰撞事务,得出碰撞过程中能量的损耗与碰撞系统的 阻抗系数RT(即船舶毁伤体积)相关,阻抗系数的定义为: 碍=PuLut+只% (1-11) R、三、f——撞击船舶第N个构件的粉碎深度(m)、粉碎长度(m)厚度(m);£、o乙——皲撞船舶第n个构件的粉碎深度(m)、粉碎长度(m)、厚度(m)。 Minorsky通过度析26组船舶碰撞数据,得出了阻抗系数RT和接收能量的一 重庆交通大学硕士结业论文 种线性关系,即出名的Minorsky曲线所示。在高速碰撞时,RT与ET 成线性关系,跟着阻抗系数的增大,接收的能量也逐步添加。而在低速碰撞的范 围内,没有无效的纪律,粉碎情况要比按撞击速度阐发时更为严峻。在高速碰撞 乓=41.55Rr+121.9(1-12) ET的单元为1000吨节2,节为速度单元,1节=0.514rn/s :40 x35<球30 蠡2s 蜗蓥20 15 10 5OU500 1001 2U哪碰撞中吸牧的能量Er【l000吨x节2) 图1.3 Minorsky曲线 Minorsky理论是针对船舶相撞而提出的,能够用来计较碰撞过程中接收能量和 响应的阻抗系数,求出最大的穿透深度,还能够用于在设想中验证涉及船舶速度的 平安性。 简化解析法 Chang[191等提出了预测船体布局碰撞响应的简化解析方式,该方式是无限元技 术、解体理论和尝试数据的分析。研究表白,碰撞力是板厚、横截面面积、材料 的屈就应力和极限强度的函数。该项研究仅局限于侧向垂直碰撞环境。 张惠元【20】等在阐发低能碰撞中舷侧布局变形特征的根本上,成立了简化的力 学计较模子,由能量法导出均衡方程并进行数值计较,操纵所编制的公用法式可 以对碰撞中舷侧布局的毁伤过程进行模仿计较,获得能量接收和变形之间的关系。 Hysing【2l】利用简化解析方式完成了滚装客船碰撞的系列计较,绘制了力.撞深 曲线。吸能.撞深曲线以及舷侧布局毁伤区域的尺寸大小。 朱厚勤【221等对舷侧布局遭遇刚性船艏垂直撞击的环境进行了理论阐发和计 算,获得了力与侵入度、吸能与侵入度之间的关系,并对丧失承载能力前的双壳 和单壳舷侧布局的最大承载能力和能量接收能力进行了阐发比力,得出了响应的 关系曲线。 Wang和Ohtsubo[231提出了一套计较薄板的失效模式公式,用以阐发船舶侧向 第一章绪论 碰撞和船舶搁浅。计较成果与其试验成果取得了优良的分歧性。 因为碰撞过程中撞击区构件要发生大的毁伤变形,构件之间必然发生显著的 接触感化,但大大都简化阐发法却忽略了构件之间的这种彼此接触感化,假设每 一个构件都不受影响地贡献本身抗撞强度,这与现实环境不合适。 无限元数值仿真法 无限元数值仿真手艺成功使用于船舶.布局碰撞得益于计较机运算机能的飞速 成长,它能够切确地描述碰撞船舶的布局安插形式、材料特征、布局变形模式和 载荷的变化过程,具有解析法无法对比的劣势。 2002年,我国粹者刘建成等【24J采用非线性无限元仿线万吨级 油轮与长江上某一斜拉桥正向发生碰撞过程,计较申明了船.桥碰撞过程中船艏、 桥梁承台、桥面和拉索的力与变形的时间过程的关系。 2003年,佛罗里达州立大学l约Consolazio等【25J操纵ADINA无限元法式对驳船撞 击方墩和圆形墩进行了模仿阐发,并将计较成果与AASHTO规范进行比力。 2005年,胡志强【26】通过无限元仿线t 四种分歧载重吨位的船舶正撞刚性桥墩时的碰撞载荷,归纳出船桥碰撞力与撞击 深度、撞击能量与撞击深度的曲线对数值仿真手艺在碰撞和搁浅范畴的研究进行了总结,证明利 用数值仿真手艺阐发导管架平台的抗撞机能完全可行。 2010年,王君杰等【28】建T3000.5000DWT范畴内的4艘汽船的碰撞无限元模 型,采用LS.DYNA非线性无限元软件计较了船舶1.0"-一5.0 m/s冲击速度范畴内的与 刚性墙面的碰撞力时间过程样本,提出了3种分歧的船艏正撞刚性墙面的根基冲击 荷载模子。 2012年龙丽吉等【29】操纵非线性无限元软件ANSYS/LS.DYNA对三峡库区某框 架墩式船埠成立了船舶与独立墩式船埠碰撞的无限元模子,在仿真模子中考虑橡 胶护弦的缓冲和吸能感化,愈加实在地反映出船舶.橡胶护弦.船埠三者之间的彼此 感化,且连系模子阐发了船舶靠泊速度对墩式布局动力响应的影响。 无限元数值仿真法中的一些手艺性问题在近些年已成为研究的热点。其一, 数值仿真法中无限元模子网格大小的拔取与布局材料的失效模式慎密相连。Servis 和Samuelides[301认为模子网格大小一句尝试数据确定。顾永宁和高震【31】通过 Benchmark研究认为网格大小与材料极限应变相关。其二,准确模仿碰撞过程的材 料失效原则很难精确定义。Kitamura[32】认为平均失效应变取决于布局安插、系统刚 度和撞击位置非支持构件的跨距。Glykas等【33】对碰撞中船艏分歧区域的布局材料 失效原则进行了研究,将GL规范原则、COD原则和SEDFM原则【33】进行了 比力阐发。Servis[331将最大塑性应变1 8%作为失效原则。王自力和顾永宁【34】在考虑 重庆交通大学硕士结业论文 材料应变率的影响,对船舶布局碰撞机能采用钢材应变率的影响进行了研究。 目前,国表里尚未对船舶撞击浮船埠趸船与定位墩系统进行过研究,趸船吸 收撞击能量的几多以及传送到定位墩上的撞击能量的几多还没有一个定量简直定 方式和计较公式。为防止定位墩布局程度位移过大,包管趸船随水位变化而上下 挪动,在趸船与定位墩之间也设置了橡胶护舷,以削减船舶撞击时定位墩承受的 撞击荷载。定位墩能承受多大的撞击荷载也是目前未研究的一个问题,这关系到 橡胶护舷的选型和定位墩布局全体的不变性。 1.3定位墩布局研究现状及具有的问题 定位墩根本一般采用桩基布局,刘世海【3 5J操纵预应力混凝土打入桩根本的定 位墩布局,其下部安插四根斜桩以抵当浮船埠遭到的程度力,无效地减小定位墩与 趸船的位移, 较好的处理了洪流位差、上层地质前提较差浮船埠的定位问题。在 现实的工程使用中,因为混凝土定位墩布局设想的复杂性,一般较少采用,凡是 采用直立式的钢管桩导桩的定位墩布局形式。钢管桩导桩凡是由三根或者四根钢 管桩构成。刘普等【36】采用三根桩的定位墩布局,以武汉某浮船埠为例,操纵通过 无限元软件Midas Civil,阐发了在四种分歧荷载工况下桩径、桩距和斜撑对浮船埠 趸船定位墩布局的内力和变形的影响,提出趸船定位墩布局较为合理的桩径和桩 距大小,并得出斜撑设置形式的差别对定位墩布局的影响很小,定位墩布局设置 斜撑时,桩距不宜大于4倍桩径。祖福兴【37】采用两根直径2m的钢管桩来定位浮船埠 趸船,实现了以趸船支持钢引桥,靠水的浮力实现的无动力主动起落的新型浮码 头布局形式,合用于洪流位差的散货浮船埠、客运浮船埠。 虽然定位墩系统在长江中下流浮船埠系留大型趸船中利用较多,但定位墩结 构在利用过程中具有必然的平安隐患: 其一,布局受力不服均。系留趸船的定位墩布局在承受各类荷载的感化下, 会使定位墩布局的桩基前后受力不服均,导致定位墩布局变形过大,程度位移过 大会限制趸船的上下浮动。 其二,超设想尺度靠泊。长江中下流船舶跟着航运品级的提高而不竭增大, 原定位墩布局设想的靠泊能力不克不及满足现有船舶的停靠。 其三,船舶无效撞击能量的影响。定位墩布局间接遭到船舶撞击力的感化, 其承受船舶无效撞击能量的几多目前尚无一个较好的定量确定方式和计较公式。 而且感化在定位墩布局上的船舶撞击荷载大小与船舶无效撞击能量之间的关系尚 不清晰。 10

  长江中下流浮船埠系留趸船的柔性定位墩的布局受力特征研究及布局优化

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