复式圆端型桥墩附近船舶受力特性及通航安全区范围

采用RNGk-ε湍流模型分析了复式圆端型桥墩周围水流流场,运用应力采集系统测量了船舶与桥墩处于不同相对位置时的二维时均受力情况,分析了复式桥墩不同间距时船舶的受力特性以及复式桥墩周围水流对船舶通航的影响。试验结果表明,复式桥墩周围存在4个明显的横向流速峰值区,且船舶经过桥区,桥墩周围横向流速出现正负交替变化;随着桥墩间距的增大,船舶在桥区的横向受力由吸附力向推力演变。两种途径研究的结果表明,随着复式桥墩间距的增加,桥墩侧向通航安全距离减小;当复式桥墩间距超过12倍墩宽后,桥墩侧向通航安全距离与单墩时情况趋于一致。     

船-桥碰撞力理论分析及复合材料防撞系统

考虑桥墩刚度与船艏刚度,采用质点弹簧模型,建立了船-桥碰撞动力方程,分析了桥墩与船艏的相对刚度、碰撞接触时间对峰值撞击力的影响规律,修正了我国《公路桥涵设计通用规范》中漂浮物撞击力公式.研制了新型纤维增强复合材料防撞系统,开展了冲击性能试验,实现了相关桥梁防船撞工程应用.结果表明:当桥船相对刚度之比小于50时,峰值撞击力随桥-船相对刚度的增大呈对数形式增大;当桥船相对刚度之比大于等于50时,峰值撞击力可近似按欧洲统一规范取值.碰撞接触时间与船舶质量、船艏刚度相关.复合材料防撞系统能有效延长船-桥碰撞接触时间,大幅削减撞击力,从而有效保护桥墩结构安全,减轻船舶受损程度,具有显著的技术经济优势.     

新型浮式系泊系统靠泊动力响应分析

以新型浮式系泊系统为研究对象,通过1∶40的模型试验首先分析无波浪作用下船舶排水量和船速等因素对浮体系泊系统靠泊动力响应的影响,并将浮式系泊系统的靠泊试验结果与相同工况下刚性靠泊试验结果进行对比分析,然后对典型海况（波高2,m,周期6,s,入射角90°的波浪）作用下的新型浮式系泊系统进行靠泊分析,得到其在不同靠泊速度下的动力响应.试验结果表明,相对于刚性靠泊,浮式靠泊的靠泊力小,吸收的能量更大.船速和船舶排水量是影响靠泊动力响应的主要因素,船速和排水量的增大将会大大增加护舷撞击力,并使浮式系（靠）泊平台产生较大的位移.由于偏心的影响,船艏首先系（靠）泊,能量大部分被船艏靠泊平台所吸收,船艉系（靠）泊平台吸能比例很小,尤其当初始靠泊能量较小时,两平台吸能差异更明显.随着船速和船舶排水量增大,船艏和船艉靠泊的时间间隔越小,两系（靠）泊平台位移及护舷撞击合力的差距也越小,船艉系（靠）泊平台吸能比例逐渐增大.     

半滑行航态下三体船布局对附加质量影响的数值研究

为分析半滑行航态下(1.0Fr▽3.0)三体船侧体布局对附加质量和船舶操纵性能的影响,以wigley船为母型船建立不同侧体布局的三体船模型,考虑半滑行状态下升沉、纵摇变化,基于三维势流理论,采用面元法计算三体船六自由度附加质量水动力系数.结果表明:升沉、纵摇导致的湿表面和排水体积变化对三体船水平面上操纵性相关的纵荡、横荡和艏摇附加质量影响较大,较正浮状态下平均增幅分别为41.37%,21.74%及21.49%.侧体纵向布局一定情况下,横向布局对附加质量影响相对较小;横向布局一定情况下,侧体位于船体后方具有相对较大的艏摇附加质量,有利于船舶航向的稳定性;侧体布置船舯部具有相对较小的艏摇附加质量,有利于船舶转艏性能;侧体布置在船前部,船体艏摇附加质量和船舶转艏性能处于前两者侧体布置的性能之间.     

考虑材料非线性的船舶与单墩碰撞有限元数值模拟

为了可靠地评估船舶与单墩碰撞的撞击力及墩柱响应,利用ANSYS/LS-DYNA建立了一个详细的船墩碰撞数值模型。船艏采用壳单元模拟外部钢板,梁单元模拟内部桁架,并采用弹塑性材料对船艏钢材进行模拟;对墩柱进行配筋,并采用非线性材料来模拟墩柱混凝土以便真实地反映材料特性,墩顶施加集中质量来模拟上部承重。以内河船舶为例,研究了墩身材料、船舶载重和碰撞速度对船舶撞击力及单墩响应的影响。研究结果表明:假定单墩为刚性或弹性材料得到的撞击力峰值和有效撞击时间均偏大,且碰撞速度越大,其差距越大,混凝土材料的非线性对船墩碰撞模拟结果有较大的影响;增大船舶质量和碰撞速度均使撞击力峰值和碰撞持续时间增加,而船舶撞击速度对撞击力峰值有显著的影响,碰撞持续时间主要取决于船舶载重。     

桥墩阻水比对弯道河流流速分布的影响

桥墩阻水比是确定涉河桥梁工程方案主要考量指标之一。为研究桥墩阻水比对弯道河流流速分布的影响,建立有机玻璃弯道水槽模型,针对不同阻水比桥墩对弯道河流流速分布影响开展试验研究。使用ADV采集弯道试验段内的纵向和横向流速并进行分析,结果表明：随阻水比的增大,桥墩附近上下游主流位置趋于集中在水槽中间。在Fr=0.21和Fr=0.28两组工况下,墩前断面纵向流速方差均减小,其流速分布更加均匀;墩后断面纵向流速方差均增大,其流速分布更加紊乱;横向流速在墩前与墩后分布均更加紊乱。桥墩阻水比对纵向流速和横向流速分布的影响均随Fr增大而减小。     

考虑墩顶约束作用的桥墩船撞力学模型及其响应

在考虑上部主梁对桥墩墩顶约束及基础约束作用的基础上,建立了边界条件合理的船舶与桥墩撞击理论力学模型,采用Laplace正变换和Crump逆变换,对该动力控制微分方程进行理论求解并分析撞击力与位移响应。将理论计算结果与欧洲规范以及未考虑墩顶约束的悬臂墩模型计算值进行了比较,结果表明考虑被撞桥墩墩顶受上部结构的约束作用对撞击响应的影响较为显著。分析上部主梁结构等效约束刚度与被撞桥墩船撞力及墩顶位移的关系并与欧洲规范和铁路规范进行了比较。建立了峰值撞击力简化计算公式,该公式在欧洲规范的基础上增加考虑了桥墩侧向刚度、船舶质量及船艏刚度等因素,与其他规范公式在改变不同参数的情况下进行了比较,验证了其具有较好的适用性。     

论船舶在急流中航行

一、急流对航行中船舶的影响 1.流压对船速矢量的影响及流压角的计算众所周知,流压对船舶速度矢量是有很大影响的。顺流时会使航速增大;逆流时会使航速减小。下面给出定量分析公式。如图1所示,船舶的航速为V_s,流速为     

破舱进水对船舶横摇运动的影响

为研究船舱破损进水对船舶横摇运动的影响,建立了破舱进水船舶在规则横浪中的横摇运动微分方程,将进舱水晃荡产生的动力矩作为作用于船舶的外力矩.利用FLOW-3D对进舱水产生的动力矩进行仿真模拟计算,利用Matlab编程对破舱进水的横摇运动方程求解,计算分析破舱进水晃荡对船舶横摇运动的影响.以一艘拖轮为例,用时域法对不同波浪频率下的横摇运动响应进行计算,对比分析了规则横浪中的完整和破舱状态船舶的横摇运动响应特性.结果表明,在船舶大幅运动时,进舱水液面会成波浪状,产生翻卷和破碎,引起较大的合外力矩,使横摇运动幅值增大,危及船舶安全.     

带主梁的简化模型与响应面联合 的桥梁船撞易损性分析方法

以往桥梁船撞动力分析以给定事件确定性分析为主,难以反映船撞作用的偶然性和概率性特征,以及不同能量撞击下的桥梁损伤演化特征.为此,本文面向两类典型船舶,以桥梁墩柱受船舶撞击后的剩余承载能力作为损伤评估指标,较为系统地研究了桥梁船撞易损性.首先,建立了受压RC墩柱受到侧向冲击后剩余承载能力的直接模拟方法,通过与试验结果进行对比,验证了该模拟方法的有效性.然后,基于一座典型连续钢筋混凝土梁桥,建立了两种不同的有限元简化模型,并进行了比较和验证.提出一种有限元简化模型与响应面代理模型联合的桥梁船撞易损性分析方法,获得了两类典型船舶撞击下的桥梁易损性曲线.结果表明:所建立的响应面具有良好的精度,可替代复杂的非线性有限元计算;两类船舶类型撞击下的桥墩剩余承载力的响应特征区别较大,在球艏船撞击下剩余承载能力随船速的增大而均匀减少,而在受驳船撞击时,剩余承载能力与临界船速密切相关,呈现出双折线的特征,在进行样本设计时需基于临界速度进行分段;在相同船速及质量的情况下,驳船撞击所造成的结构损伤以及失效的概率普遍要高于球艏船撞击,实际设计中应尤为关注.     

船行波对系泊船舶影响的数值计算

针对限制水域中船行波对系泊船舶的影响问题,运用重叠网格技术,基于数值方法的有效性验证,对系泊船舶在船行波中的运动响应及受力进行了数值计算分析,探讨了不同航速、航道几何形状及码头形状对船行波中系泊船舶的运动响应和受力的影响规律.结果表明:航行船舶的航速对系泊船舶的运动响应及波浪力有显著的影响,当航速增大30%时,橫摇最大幅值和横向力最大幅值分别增加了14倍和6倍;不同码头形状对系泊船舶的影响程度不同,直壁式航道中系泊船舶受到的横向波浪力和横摇的最大幅值几乎是在斜坡航道中的2倍,而斜坡倾角的变化对系泊船舶的运动影响则较小.     

两类耗能式桥墩防船撞护舷性能研究

设置耗能式防撞护舷已成为目前减少桥墩受船撞损失的有效方法.文章从碰撞力规范公式以及材料力学特性分析了低碳钢防撞护舷和FRP防撞护舷的工作原理,通过ANSYS-LS/DYNA软件建立船舶、低碳钢防撞护舷以及FRP防撞护舷模型,分析了低碳钢防撞护舷与FRP防撞护舷防撞性能的异同.结果表明,在相同板厚设置下,低碳钢防撞护舷同FRP防撞护舷相比,低碳钢防撞护舷最大碰撞力更高、耗能比例更高.在不同板厚设置下,即不同护舷刚度设置下,两类耗能式防撞护舷性能都受船艏与防撞护舷的刚度比影响.在船艏刚度不变时,随着船艏与防撞护舷的刚度比减小,船与防撞护舷碰撞力增大,防撞护舷的耗能比例减小.     

船舶撞击双柱式桥墩破坏模式分析

为了研究双柱式桥墩在船舶碰撞作用下的损伤破坏机理,对冲击作用下钢筋混凝土结构的材料本构、黏结模拟方法进行了分析。采用可以考虑开裂的混凝土连续光滑本构模型模拟墩柱混凝土材料,采用考虑应变速率的随动塑性强化模型模拟墩柱纵筋及箍筋;基于显式动力有限元软件LS-DYNA,在考虑双柱式桥墩纵筋配筋率变化及是否存在桩土相互作用的情况下,对驳船撞击双柱式桥墩进行动力仿真分析。研究结果表明:在船舶撞击作用下,混凝土双柱式桥墩的破坏过程可分为4个阶段:初始接触碰撞阶段、撞击墩破坏阶段、非撞击墩破坏阶段、系梁与墩柱连接破坏阶段;结构在碰撞接触区域发生了局部剥落损伤,同时在碰撞侧桥墩、非碰撞侧桥墩以及系梁连接处均发生开裂破坏,船艏经历了2次加载-卸载历程,船舶动能的76%转化为船艏及结构的内能;双柱式桥墩纵筋配筋率对结构的破坏模式影响明显,随着配筋率提高,桥墩墩柱逐渐由弯曲破坏转变为只出现少量横向裂缝;在配筋率为2%时,墩柱基本不发生弯曲破坏,而碰撞侧墩柱与系梁连接处属于双柱式桥墩薄弱构造环节,在不同配筋率情况下均发生破坏;桩土相互作用对桥墩的破坏模式影响显著,在计算分析时应予以考虑,在墩底固结情况下,桥墩主要发生剪切破坏。     

隔离墩与自浮结构相组合的桥梁防船撞系统方案与评估

随着跨江跨海桥梁与船舶通航数量日益曾多,船桥碰撞的概率也日益增大,所以亟须提出桥梁防船撞设计方案。针对既有椒江大桥水中通航孔桥墩,首先通过规范和Midas/Civil软件计算出桥墩结构的自身抗撞能力;基于非线性动力软件ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型计算得出典型桥墩遭受3 000 t级船舶正向和侧向撞击工况下的撞击力;通过比较桥墩自身抗力与船舶撞击力,提出了一种隔离式防撞墩与自浮式消能圈相组合的新型桥梁防船撞方案,然后对单独设置隔离式防撞墩和设置隔离墩与自浮结构组合防撞系统两种工况进行计算。结果表明:桥墩自身抗力为14.40 MN,而受船舶撞击所产生的最大撞击力为24.38 MN;设置组合防撞系统后,桥墩墩身所受的撞击力为0,隔离式防撞墩与自浮式消能圈有效保护了桥墩结构,且减小了船舶损伤。     

柔性横系梁双柱墩的抗震行为分析

基于Pushover分析方法,探索柔性横系梁对双柱式桥墩抗震行为的影响.采用弹塑性纤维单元,建立单柱墩、盖梁双柱墩和柔性横系梁双柱墩模型并进行对比分析,研究横系梁刚度变化对桥墩破坏机理、墩顶位移能力、位移延性系数以及基础受力的影响.结果表明,随着横系梁刚度的增大,墩顶位移延性能力逐渐减小,位移延性系数逐渐增大,桥墩的承载能力逐渐增大,同时提供给基础水平推力能力增大.对于规则桥墩,柔性横系梁双柱墩的墩顶最大塑性位移比单柱墩略小,可按单柱墩位移延性能力计算公式计算其墩顶位移延性能力.     

STF切片理论的实用数值计算方法改进

根据STF切片理论,建立船舶在斜浪规则波下直航运动的五个自由度耦合方程,并考虑航速及球鼻艏对水动力系数的影响加以修正.此外,针对原计算公式中横摇阻尼系数项不考虑流体黏性的问题,引入Ikeda半经验公式对该项进行非线性修正,采用辛普森积分法和四阶龙格-库塔微分法分别对船舶水动力系数和各自由度随时间历程的变化进行数值计算.以Wigley系列船型和某教学实习船为例,将水动力系数、波浪扰动力及力矩和各自由度运动幅值与相关试验值、其他文献结果以及商业软件数值仿真结果对比.结果表明,经过非线性修正后,横摇运动响应结果与商业软件数值仿真结果更加逼近,其他自由度的运动响应结果与对应的试验值和其他文献结果也都较为吻合,证明了本文计算方法的可行性,且具有一定的实用价值.     

基于MLP方法的船舶大幅横摇近似解析解

具有一定精度的近似解析解可以将船舶横摇运动特征直接与船体参数相联系,便于分析船体参数对横摇运动及稳定性的影响.文中考虑阻尼力矩和恢复力矩的非线性建立了船舶在规则波中的横摇运动方程;为了克服弱非线性的局限性,采用改进的Lindstedt-Poincare(MLP)方法对横摇运动方程进行摄动求解,经细致推导得到精确至二阶的解析解(静水中)和精确至一阶的解析解(波浪中).最后对一目标船分别采用MLP和数值算法进行求解,验证了近似解析解的正确性.     

阵风与波浪作用下船舶横摇运动的随机模型及其稳定性分析

文[1]、[2]提出波浪和阵风作用下的船舶横摇运动的随机模型,他们都把波浪施加给船舶的横摇力矩幅值视为常量.但因阵风影响,横摇力矩幅值实际上是随机变量.本文在横摇力矩幅值服从瑞利分布的条件下,研究了横摇力矩及阵风荷载对横摇运动的影响.     

弹丸激励下身管和摇架耦合系统动力学分析

为了研究弹丸、摇架与轴向运动身管耦合系统的振动特性,根据哈密顿原理推导出移动弹丸激励下身管和摇架系统的振动方程,采用修正的伽辽金法将时变方程离散,运用四阶龙格-库塔法进行数值计算,结合算例验证了方程的正确性,研究了摇架和弹丸的惯性效应对身管振动特性的影响.研究结果表明:所建立的含摇架的耦合系统模型可以综合考虑摇架角运动和扰动力矩的影响,丰富了身管振动影响因素的研究内容;增大弹丸加速度和减小弹丸质量偏心距有利于减小炮口振动响应.     

两跨连续梁模型桥地震响应影响因素研究

以公路钢筋混凝土连续T梁桥为背景,结合振动台试验所用两跨连续梁模型桥地震响应,开展跨径、跨数、斜交角对该模型桥地震响应影响的数值研究,结果表明:在纵向地震输入时,跨径增加,支座水平剪力越大,墩梁纵向相对位移越大;跨数越多,支座和桥墩受力越大,远离固定墩侧的墩梁相对位移提高;斜交角增大,支座和桥墩受力由单向变为双向,纵向地震响应降低而横向地震响应不断增长;跨数和跨径增大时,主梁加速度响应的变化与地震动特性有关,而斜交角增大则纵向加速度不断减小.