基于ansysls-dyna軟件的薄壁墩碰撞仿真分析

基于ansysls-dyna軟件的薄壁墩碰撞仿真分析

一、某高校某互通立交橋型隨著道路交通的快速發(fā)展，連接河流和河流的橋梁越來越多。許多橋梁位于重要航道上,常有可能被航行的船只撞擊,對大橋的安全和設(shè)計壽命產(chǎn)生影響,留下災(zāi)難性事故隱患。在大跨橋梁中,采用薄壁墩的連續(xù)剛構(gòu)橋是十分常見的橋型,薄壁墩屬柔性構(gòu)件,研究其在船橋碰撞中的響應(yīng)及損傷具有十分重要的意義,本文以某漢江大橋為例,基于ANSYS/LS-DYNA軟件進行分析。該橋為61+110+110+61m連續(xù)剛構(gòu)橋,通航船舶等級為500t級駁船。該橋橋墩為雙薄壁墩,薄壁厚度僅為1.2m,其中2#墩高29m,位于主航道中央,很有可能被船只撞擊。1.顯式中心差分法船橋碰撞時,在很短的時間內(nèi)接觸碰撞區(qū)附近的船艏構(gòu)件發(fā)生塑性變形、屈曲、褶皺、崩潰和撕裂。橋墩在碰撞接觸區(qū)產(chǎn)生高應(yīng)力并發(fā)生整體位移和由此引起的總體變形應(yīng)力。在碰撞過程中,除了船體、橋梁以外,船身周圍的流體亦參與了能量交換與吸收。目前解決船橋碰撞問題的方法有經(jīng)典的Minorsky方法、漢斯—德魯徹理論、簡化解析方法、簡化內(nèi)部機理的數(shù)值解法、試驗方法和有限元方法等。其中有限元法可反映的碰撞物理現(xiàn)象最為完備,得到的計算結(jié)果也最為準確。在有限元方法中,碰撞問題的運動方程可以一般地表示為:式中:[M]為質(zhì)量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[K]為剛度矩陣;{a}為加速度向量;{v}為速度向量;eyx4kgn為位移向量;{Fx}為包碰撞力在內(nèi)的外力向量。經(jīng)有限元離散處理后形成的瞬態(tài)動力學(xué)問題,適宜采用顯式直接時域解法。該方法不需要進行矩陣分解或求逆,無須求解聯(lián)立方程組,計算速度快,通過自動控制計算時間的步長,可以得到穩(wěn)定解并保證時間積分的精度。應(yīng)用顯式中心差分法求解碰撞問題時,一個特別值得注意的問題就是時間步長的選取,因為中心差分法是條件穩(wěn)定的,其時間步長不能超過臨界時間步長。實用中常以最小有限單元網(wǎng)格的特征長度除以應(yīng)力波速來近似臨界時間步長,即:二、船舶橋梁碰撞金元模型1.接觸和滑動的單元特性相接結(jié)構(gòu)(或構(gòu)件)之間的相互作用通過接觸算法來完成。在可能發(fā)生接觸作用的結(jié)構(gòu)之間定義接觸面,接觸面能有效地模擬相撞結(jié)構(gòu)之間的相互作用,并允許結(jié)構(gòu)之間連續(xù)不斷的接觸和滑動。本文使用的是主從面接觸算法,在求解的每一時間步長,檢查從屬節(jié)點的位置坐標,看它是否已經(jīng)穿透主面,如果還沒有穿透,則計算工作不受影響地繼續(xù)進行;如果已經(jīng)穿透,則在垂直于主面的方向上施加一作用力,以阻止從屬節(jié)點的進一步穿透,這個作用力就是接觸力。接觸力的大小取決于穿透量和接觸面二側(cè)的單元特性。在ANSYS/LS-DYNA中,接觸類型可分為三類,即單面接觸、節(jié)點-表面接觸、表面-表面接觸。本文采用自動單面接觸(ASSC)和自動面-面接觸(ASTS),靜、動摩擦系數(shù)均采用0.1。2.材料本構(gòu)模型為了建立式(1)中的剛度矩陣[K],需要建立合適的結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)關(guān)系。船橋碰撞是一個非線性動塑性問題,各種材料的本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜,以下分別加以介紹。(1)混凝土材料模型考慮到橋墩在碰撞過程中存在硬化效應(yīng),故選用彈塑性混凝土硬化斷裂本構(gòu)關(guān)系。目前有多種塑性硬化斷裂本構(gòu)模型,不同的模型在屈服條件、流動法則、硬化法則等方面的假設(shè)均有所不同。由正交原理可知,相關(guān)流動法則的Drucker-Prager模型可以反映有相當量的體積膨脹。試驗表明混凝土材料的膨脹效應(yīng)發(fā)生在材料接近破壞時,在表達本構(gòu)關(guān)系時,可以在靜水壓下加一個帽蓋來反映材料的這種非彈性體積反應(yīng)。這個帽蓋獨立于屈服面,用來控制體積膨脹和收縮。本文中采用了Colorado混凝土帽蓋材料模型,該模型是一個塑性模型,通過一個由失效包絡(luò)面、硬化端帽蓋面和拉力切斷極限面組成的失效面表達。混凝土的破壞準則是判斷混凝土是否破壞的依據(jù)。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下,如何建立結(jié)構(gòu)材料強度破壞條件的問題已經(jīng)過了長期的研究。但是混凝土在復(fù)雜受力狀態(tài)下的強度是一個比較復(fù)雜的問題,目前仍未建立起比較完善的能解釋不同破壞物理現(xiàn)象的混凝土強度理論,所以常須依賴強度試驗結(jié)果。混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強度要考慮不同應(yīng)力分量之間的相互影響,一般也可用混凝土的應(yīng)力狀態(tài)σij的函數(shù)來表示,即式中:k1,k2,…,kn為反映材料性質(zhì)的參數(shù),由材料強度試驗結(jié)果確定。包含有n個參數(shù)的破壞準則稱為n參數(shù)破壞準則。本文中選用了比較簡單的一參數(shù)混凝土強度準則模型,即最大拉伸應(yīng)力理論的破壞準則。按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,C40混凝土的抗拉強度標準值取為(2)鋼筋材料模型一般情況下,認為鋼筋受拉與受壓的本構(gòu)關(guān)系是相同的。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析中,鋼筋材料的本構(gòu)關(guān)系可以是雙直線型,也可以是曲線型。本文采用雙直線型,有關(guān)參數(shù)為:材料密度ρ=7.85x103kg/m3,彈性模量E=2.0×1011N/m2,切線模量Etan=1.18×109N/m2,屈服應(yīng)力σy=3.15×108N/m2,泊松比v=0.3。(3)船用鋼材料模型在高能船舶碰撞中,碰撞區(qū)域構(gòu)件將發(fā)生彈塑性大變形(以塑性變形為主)。因此,模型中船艏部結(jié)構(gòu)為可變形彈塑性材質(zhì),而船體中后部的結(jié)構(gòu)視為剛性材質(zhì)。材料的本構(gòu)關(guān)系是碰撞分析中的重要參數(shù)。為了真實反映材料特性,在船艏結(jié)構(gòu)采用線性強化彈塑性模型,其屈服應(yīng)力:式中,靜屈服應(yīng)力σ0取為2.35×108N/m2;彈性模量E取為2.06×1011N/m2;硬化模量Eh取為1.18×109N/m2;材料常數(shù)分別為:密度ρ為7850.0kg/m3;泊松比v為0.3。假定失效準則為:單元的等效塑性應(yīng)變超過定義的極限塑性應(yīng)變時,單元發(fā)生斷裂失效。為了使有限元單元的計算斷裂狀況與實際鋼材的物理斷裂一致,需要正確定義單元材料的斷裂應(yīng)變極限值,這一數(shù)值受到單元網(wǎng)格尺度的影響。本文模型中碰撞區(qū)最小單元特征長度為150mm,其斷裂極限應(yīng)變?nèi)棣?0.34。在船舶碰撞動態(tài)響應(yīng)過程中,船用低碳鋼的塑性性能對應(yīng)變率是高度敏感的,必須在材料模型中引入應(yīng)變率敏感性的影響。本文采用Cowper-symonds本構(gòu)方程式中:σ0為塑性應(yīng)變率時的動屈服應(yīng)力;對船用普通碳鋼,材料常數(shù)D=40.4和q=5。3.船岸配合物的模型設(shè)計(1)薄壁墩結(jié)構(gòu)有限元模型由于該橋橋墩的雙薄壁之間的距離大于駁船的半型寬,當駁船正撞其中一幅薄壁時,不會碰到另一幅,因此只考慮一幅薄壁。本橋上構(gòu)是預(yù)應(yīng)力箱梁,單箱單室,頂板寬12m,底板寬6m,墩頂處梁高6m。箱梁的剛度很大,對墩的約束也很大,因此墩頂?shù)倪吔鐥l件可以近似為固結(jié)。本橋2#墩樁基完全處于基巖中,基礎(chǔ)的剛度很大,因此墩底的邊界條件也可以近似為固結(jié)。薄壁墩的尺寸為:長(橫橋向)6.5m,寬(順橋向)1.2m,高29.0m?；炷敛捎胹olide單元,鋼筋采用link單元。(2)撞擊船的計算模型500噸級駁船總長45m,型寬10.8m,型深2.2m,吃水1.6m,排水量677t,載重529t。計算模型對碰撞區(qū)域船艏結(jié)構(gòu),如外板、甲板、橫艙壁、縱桁和橫桁等均了較細致的描述,外板、甲板和橫艙壁采用殼單元,縱桁和橫桁采用梁單元。對于艏尖艙之后的船體,因其遠離碰撞區(qū),實際并不產(chǎn)生變形,僅提供剛度和質(zhì)量影響,故將其處理為剛性,有限元網(wǎng)格也放大。全船的質(zhì)量分布于各單元上,且重心位于縱舯剖面。模擬船體的各幾何特性,如質(zhì)心、重心和慣性矩均與實船一致。航速取用內(nèi)河船舶常見速度,v=4m/s。(3)流體介質(zhì)對碰撞的影響流體介質(zhì)對碰撞的影響主要通過附連水質(zhì)量來體現(xiàn),附連水質(zhì)量大小取決于相撞船舶的型線特征、碰撞歷程等,精確的計算是相當復(fù)雜和困難的。目前,附連水質(zhì)量可以采用切片法進行計算或用經(jīng)驗公式來估算。就精度而言,切片理論高于經(jīng)驗公式;就方便而論,經(jīng)驗公式則優(yōu)于切片理論。為簡單起見,采用經(jīng)驗公式估計附加質(zhì)量。關(guān)于進退運動的附連水質(zhì)量,通常假定。式中:xll(t)為作用于船體上的水動力;為船體的進退加速度。附連水質(zhì)量以附加質(zhì)量密度的形式加到撞擊船體上,一般取mxx=(0.02～0.07)m,m為船總質(zhì)量。本文附加水質(zhì)量取為船總質(zhì)量的0.04倍,通過加大模型中船體部分殼單元的密度實現(xiàn)。船橋碰撞有限元模型如圖1、圖2所示。三、計算1.撞擊船動能轉(zhuǎn)換橋墩所受碰撞力曲線如圖3所示。橋墩所受碰撞力具有很強的非線性波動特征,碰撞力的每一次峰值卸載都代表了船的某個構(gòu)件的失效或破壞。最大碰撞力出現(xiàn)在T=0.056s,Fmax=6.46×107N。此時對應(yīng)船的速度零點,之后船有相反方向的速度(如圖4所示),也就是船被彈回,船墩逐漸脫離,因此碰撞力逐漸衰減,到T=0.084s衰減到0,此時船墩脫離,整個碰撞過程用時為0.084s。在T=0～0.084s內(nèi),船墩接觸,船受有橋墩的作用力,因此船體速度曲線斜率不為零(船有加速度);在T=0.084s之后,船墩脫離,船體速度曲線斜率為零(船沒有加速度)。在碰撞過程中,應(yīng)滿足能量守恒定律。船舶的撞擊動能(包括附連水質(zhì)量提供的動能)將轉(zhuǎn)化為如下幾種能量:(1)撞擊船的彈塑性變形能及碰撞結(jié)束時刻撞擊船及附連水的剩余動能;(2)薄壁墩的彈塑性變形能及動能;(3)構(gòu)件之間摩擦引起的熱能損失;(4)計算中由于沙漏現(xiàn)象損失的能量。其中1)和2)是主要部分,3)和4)是次要部分,量值很小。圖5反映了撞擊船的動能損失和能量轉(zhuǎn)換情況。由于熱能和沙漏能的存在,船變形能、船動能、墩變形能與墩動能的總和略小于船的初始動能,符合能量守恒定律。從圖5可以看出,撞擊船的動能絕大部分被船艏通過塑性變形所吸收。與船艏相比,橋墩吸收能量方面的能力非常小。3.直接碰撞引起的錯誤從圖6、圖7可知,在碰撞過程中,薄壁墩有三處高應(yīng)力區(qū):一處在撞擊船與薄壁墩碰撞接觸面及附近區(qū)域,是由于直接碰撞接觸荷載引起的;另兩處在墩頂和墩底截面附近,是由于橋墩整體彎曲變形引起的。在本文中,高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)最危險時刻是T=0.056s,對應(yīng)于最大碰撞力。四、船橋撞擊力曲線(1)船-橋碰撞的力學(xué)過程和結(jié)構(gòu)損傷可以用ANSYS/LS-DYNA軟件詳細模擬。(2)船與薄壁墩碰撞力在時間為0.056s左右達到最大值6.46×107N