马鞍山长江公路大桥防船撞设施的结构设计与数值模拟

文章围绕马鞍山长江公路大桥左汊桥主桥,通过设置新型自浮式复合材料防撞系统保护桥墩结构安全,论述其结构设计,利用Ansys/LS-Dyna非线性有限元分析软件,对中塔桥墩进行了船桥碰撞的数值仿真分析。结果证明,该防撞装置具有良好的缓冲吸能效果。     

碳纤维复合材料防撞梁与铝合金吸能盒低速碰撞轻量化设计优化

为了提升车身前端轻量化性能,本文设计与优化了一种新型结构的碳纤维复合材料防撞梁与铝合金吸能盒。首先,建立了某乘用车钢制车身前端的有限元模型,并验证了模型的准确性。然后,运用拓扑优化技术对防撞梁及吸能盒进行拓扑设计,优化出其最优形状,确定新型防撞梁及吸能盒的三维模型。结合新型防撞梁及吸能盒模型,通过自由尺寸优化、尺寸优化和铺层顺序优化,对碳纤维复合材料防撞梁铺层进行优化,确定其最佳铺层块、铺层角度及铺层顺序。最后,基于碳纤维复合材料防撞梁及铝合金吸能盒低速正面碰撞有限元模型,设置6个设计变量和5个响应,采用最优拉丁超立方法对各设计变量随机取样,以构建各响应值的Kriging近似模型,运用NSGA-Ⅱ算法对防撞梁及吸能盒进行多目标优化,确定其最佳厚度。优化结果表明:与优化前相比,优化后吸能量为787.993 J,下降0.25%;吸能盒截面碰撞力峰值为20.208 5 kN,下降了58.67%;最大侵入量为-64.284 7 mm,增加了118.69%;防撞梁及吸能盒总质量为0.953 7 kg,降低了45.34%。优化后碳纤维复合材料防撞梁及铝合金吸能盒在满足碰撞性能要求的条件下,比原钢制材料结构质量减少了67.2%,轻量化效果显著。     

拱形自浮式水上升降防撞装置防撞带结构形式比选

为了更好的保护重庆万州长江公路大桥,重庆交通大学发明了拱形自浮式水上升降防撞装置。这种新型的桥梁防撞装置主要是由导向井、防撞带和浮筒3大部分组成。针对两种不同结构形式的防撞带,采用有限元软件ABAQUS对其结构受力特性、船舶撞击后的防撞效果进行分析,同时在施工工艺和维护难度等方面进行比较,对比发现全钢结构比钢管混凝土结构具有十分明显的优势。因此选择全钢结构作为拱形自浮式水上升降防撞装置防撞带的结构形式更为科学合理。     

帕累托最优在新型蜂窝结构吸能盒防撞性能中的应用

为提升车辆在低速(通常小于15 km/h)碰撞工况下的防撞性能,该文给出一种新型蜂窝铝结构吸能盒。建立了低速碰撞仿真有限元模型,利用LS-DYNA进行碰撞分析。选取新型蜂窝铝吸能盒结构中钣金件的厚度、几何形状等设计参数,建立该问题的数学优化模型,利用帕累托最优理论和多目标遗传算法,得到该优化问题的帕累托解集空间,并运用标准边界交叉(Normal-boundary intersection,NBI)法找出最优设计方案。与传统结构吸能盒相比,在不增加结构质量的前提下,该吸能盒能够显著提升车辆在低速碰撞工况下的防撞性能。     

泡沫铝填充结构汽车车门防撞梁仿真

为提高汽车侧碰安全性,利用泡沫铝的吸能特性,将泡沫铝填充到汽车车门的防撞梁中,设计一种新型填充结构防撞梁以提高汽车在侧面碰撞中的吸能特性.首先,以Hypemesh为前处理器,以LS-DYNA为求解器对传统结构防撞梁及所设计的新型防撞梁组成的两种车门部件的碰撞特性分别进行仿真分析,得出两种车门部件与刚性柱侧碰时车门和防撞梁变形图、应力云图以及入侵速度-时间曲线.然后对仿真结果进行比较分析.结果表明,与传统结构防撞梁相比,泡沫铝填充结构防撞梁具有更高的吸能特性.     

汽车模拟碰撞吸能器的仿真分析及试验

介绍了自行设计的汽车模拟碰撞吸能器的特点及原理，利用LS—DYNA有限元分析软件对吸能器的波形复现原理进行了仿真分析，利用销柱间钢筋预变形产生阻尼力，改变钢筋的属性并调节钢筋的类型、数量、长度和位置，改变钢筋预变形量，复现出不同车重、不同碰撞车速所期望的减速度波形．通过仿真分析，对汽车碰撞模拟吸能器进行了改进：减小钢筋直径；钢筋预变形量做成可调式，根据需要调节预变形量．在达到同等阻尼效果时通过增加钢筋根数，提高了系统的微调能力和模拟波形的精度．仿真与试验结果的比较表明：汽车模拟碰撞吸能器仿真模型复现的波形和吸能器碰撞的试验波形吻合较好，验证了吸能器仿真模型的正确性，为吸能器的优化提供了依据，缩短了调试时间，提高了波形复现的精度．     

六角弹簧管汽车碰撞吸能装置的效能研究

根据六角弹簧管汽车碰撞吸能装置的结构与工作原理,采用SolidWorks,Hypermesh和LS-DYNA仿真软件,建立吸能装置的有限元分析模型.应用所建立的有限元模型,分析了当配重块质量为1.5t,时速为50 km/h,汽车正面碰撞时吸能装置的效能.仿真结果表明,六角弹簧管汽车碰撞吸能装置具有很好的保护效果,汽车纵...     

猎德大桥防撞设施正向碰撞动力性能的数值仿真分析

根据显式瞬态非线性有限元分析技术,考虑碰撞中的材料非线性、几何非线性、接触非线性、运动非线性以及它们之间相互耦合的特性,用ANSYS／LS—DYNA软件建立了船与带有防撞设施的桥墩的有限元碰撞模型,并对碰撞过程进行了仿真计算．从整体上看,碰撞力是随着撞深的增加而增大．撞击船的碰撞动能基本上是被防撞设施以变形能的形式吸收,桥梁结构在吸收能量方面的作用很小．承台在碰撞中的损伤主要是由角钢的拉力对混凝土产生的高应力区引起的,其分布范围不大,持续时间很短,危害性很小．仿真结果反映了角钢支承钢管架防撞结构的基本性能,碰撞的整个时间历程得以全面的模拟实现,这是解析法和实验方法难以实现的．     

复合材料防撞梁低速碰撞的研究与多目标优化

复合材料在汽车车身上的使用是实现汽车轻量化的一个十分重要的途径,而防撞梁对于汽车及人员安全起着重要的作用。首先,建立保险杠有限元模型及低速碰撞仿真模型;其次,分析比较传统材料与碳纤维复合材料的防撞梁在偏置和正面碰撞工况下的应力、位移量、碰撞力峰值和比吸能的性能指标;最后,对碳纤维复合材料防撞梁的铺设层数和其余部件的厚度作为设计变量,通过实验设计(DOE)筛选试验点,采用移动最小二乘法创建质量和碰撞性能指标响应面模型,进而利用多目标遗传算法对该模型进行求解并选取最佳结构方案。结果表明:优化前碳纤维复合材料的比吸能比传统材料钢提高了34.8%,质量减轻了27.1%;优化后的复合材料在两种工况下碰撞力峰值较优化前均降低,保险杠的质量从原来的3.653 kg减至3.145 kg,降低了13.9%。     

ECC板-薄壁钢管组合防护装置抗撞性能分析及优化

为降低桥梁上部结构在超高车辆撞击下的损伤程度,提出一种水泥基复合材料(ECC)板-薄壁钢管组合防护装置,该防护装置分为3个模块：扩散模块、吸能模块、固定模块。扩散模块由ECC板和钢筋网组成,直接承受超高车辆的撞击,吸能模块由薄壁钢管和填充聚氨酯泡沫组成,通过自身变形储存车辆撞击能量;固定模块由钢板组成,由钢板实现防护装置与主梁之间的可靠连接。建立防护装置精细化有限元模型,建模过程中重点考虑混凝土、ECC材料的弹塑性损伤以及防护装置与桥梁之间的非线性接触关系,采用显式动力分析软件Ls-Dyna对其防撞性能进行深入分析,同时对防护装置的参数敏感性进行探讨。以标准双轴卡车撞击预应力混凝土空心板桥上部结构为研究对象,以车辆速度80 km/h、车辆质量25 t以及碰撞超高250 mm为典型代表工况,分析防护装置的防撞性能。研究结果表明：在超高车辆撞击下,预应力混凝土空心板桥主要发生混凝土剥落、普通钢筋断裂等局部型损伤;组合防撞装置中ECC板可以有效扩散碰撞荷载,避免桥梁发生损伤;钢管内填充聚氨酯泡沫和增加ECC板厚可以减小防护装置变形,钢管高度增大可以增加防护装置吸能效果;从工程应用角度出发,应...     

珠海淇澳大桥船撞能力评估及防撞设计

淇澳大桥主桥为双塔独柱式单索面预应力混凝土斜拉桥,为判断桥墩结构是否满足防撞要求,采用MIDAS计算了桥墩抵抗船舶撞击力值,运用有限元建立了桥墩模型计算5000 t船舶撞击大桥2#主塔桥墩,及500 t船舶撞击引桥1#、0#桥墩的撞击力,撞击力计算与经验公式结果进行对比.结果表明,有限元法与美国ASSHTO规范计算较为接近,桥梁抗撞能力满足防船撞要求.考虑船桥双重保护的理念,船桥撞击时最大程度上保护船舶和降低桥梁损伤,主塔桥墩设计采用自浮式钢浮箱防撞装置,两引桥桥墩防撞采用橡胶护舷进行防护.     

船撞力强度指标对船撞桥响应的影响

确定船舶的撞击力是桥梁设计的关键问题之一,本研究针对船撞力强度指标的选择,探讨了不同船撞力强度指标对桥梁结构响应的影响.首先建立了一艘轮船撞击刚性墙的高精度有限元模型,得到了不同撞击吨位与撞击速度下的船撞力时程,并根据不同的船撞力强度指标进行了等效,将等效静力作用于结构的响应值与结构动力响应值进行了对比.结果表明,平均船撞力得出的结构响应最小,局部平均船撞力与峰值船撞力得出的动力响应相差不大;从结构响应随撞击吨位与撞击速度的变化规律方面来看,采用局部平均船撞力作为强度指标更为合理;在采用3种船撞力强度指标时都必须考虑动力效应的影响,否则会得到偏小的结构响应值.     

新型桥墩防撞装置研究

近年来船舶撞击桥墩的事故频繁发生,日益增多的船撞桥事故对桥梁防船撞研究提出了新的迫切要求。介绍了船桥碰撞研究现状,运用LS-DYNA软件建立了船舶撞击桥墩的计算模型。分别对无防护装置和有防护装置进行了数值模拟,对比其碰撞力演变、桥墩位移变形和能量吸收等结果;并对其进行了详细分析,得到了关于防撞效果的相应结论。研究结果对今后桥梁结构的防撞装置设计有一定的参考意义。     

船桥碰撞中桥梁的力学机理及损伤分析

船桥碰撞事故时,船舷对桥墩的冲击力以及由此引起桥墩、墩柱和桩基的动态变形,可以通过大型非线性动态响应分析程序MSC-Dytran有限元数值仿真全程再现。以一艘4万t载重量球鼻船艏与某长江大桥桥梁碰撞为例,演示了数值仿真计算的过程,获得并分析了船桥碰撞力、能量转换以及桩基、承台和塔柱的冲击响应的一般规律和特点,可为桥梁设计、维护和损伤评估等提供理论依据。     

桥墩防撞导偏轮受撞后作用力及能量转换特性

为了避免船舶直接撞击运河桥墩,设计了一种适用于京杭运河航道的新型桥墩防撞导偏轮设施。依据船桥碰撞相关理论,通过不同船型与该新型防撞导偏轮设施碰撞过程的三维数值模拟,对船舶和防撞导偏轮设施碰撞后的作用力、能量转换及主要构件的碰撞损伤等特性进行了深入分析和评估。结果表明,该设施延长了撞击作用时间,可较好地保护碰撞船舶及桥墩,能够满足京杭运河桥墩防撞要求,并具有易更换、占地小和吸能效果明显的优点,适用于不同水深、流速、桥位的情况,可为内河桥墩防撞设计提供参考。     

拱形自浮式水上升降防撞装置浮性与稳性研究

拱形自浮式水上升降防撞装置是由重庆交通大学发明的一种新型桥梁防撞装置,它主要由导向井、防撞带和浮筒三大部分组成;其中防撞带和浮筒都是钢结构,导向井采用钢筋混凝土结构,整个结构长达300多米。对于如此庞大的水上自浮式装置而言,该装置在水上的浮态与稳态是保持防撞装置自身运行可靠、受力合理的关键。为此通过模型试验验证防撞设施浮性与稳性。试验结果表明在三种典型水位流量工况下,防撞设施的浮态与静水条件下大致相同。当船舶撞击防撞带,使防撞带破损进水,防撞带的水上浮出高度仍可保证在1 m以上,防撞设施仍具有较好的浮性。在内河中的波浪,以及船行波作用下,防撞带在拱顶处、距拱顶1/4处,不会产生的较大竖向晃动,保持良好的稳性。     

船桥碰撞及防撞结构研究

对某桥梁防撞结构的碰撞历程进行了数值模拟,数值模拟采用大型非线性动态响应分析程序LS-Dyna完成。介绍了船桥碰撞数值仿真中所涉及的关键技术,研究了船桥碰撞力、碰撞损伤变形、及能量吸收情况,并对其进行了详细分析。     

桥梁防撞结构数值模拟分析

对某桥梁防撞结构的碰撞历程进行了数值模拟,研究了它的碰撞力、碰撞损伤变形和能量吸收能力,并对其进行详细分析,数值模拟是用大型非线性动态响应分析程序MSC／DYTRAN来完成的。