CivilEngineeringandTechnology March2013, Volume 2, Issue 1, PP.1‐6

Simulation of Colliding Process of Arch Bridge Self-floating Anti-collision Facility LiJiang#1,ChangqiYang 1, Jiangjun Li2, Xiqin Ma3 1. College of Resources and Environmental Science,Department of EngineeringMechanics,Chongqing University, 400030,Chongqing, China 2. Jiangjun Li,College of automation,Harbin Engineering University, 150001, Harbin, China 3. Xiqin Ma, Southwestern Hydro Engineering Research Institute for Water Way, 400016, Chongqing, China #Email: jiangli339@yahoo.cn

Abstract In this paper, the process that the arch bridge self-floating anti-collision facility was struck by a ship was simulated with FEM,in order to improve the efficiency of the numerical calculation, a simplified mechanical calculation model of anti-collision facility wasproposed, as was that the model of the bow and part of anti-collision stripe where they contact with each other was established according to reality by deformable body, other area of anti-collision stripe was replaced by beam elements, the hull and poop were simplified as a rigid body. The whole deformation of anti-stripe、the response curves of collision force and displacementin collision area、the curve of energy conversion andlocal stress were got during the collision, and then the colliding capability of anti-collision facility was assessed, the results show that anti-collision facility can resist the impact of ship, which plays a role in protecting bridge. Keywords: Anti-collision facility; Collision; Numerical simulation

“自浮式拱桥防撞设施”碰撞过程的数值模拟 姜黎 1，杨昌棋 1，李江军 2，马希钦 3 1

2

1. 碰撞问题的非线性计算理论 1.1 碰撞问题的动力学方程及求解 碰撞问题的动力学方程一般可表示为

Ma(t )  Ca (t )  Ka (t )  Q (t )

(1)

L t  tcr  min( ) C

(2)

1.2 碰撞问题的接触算法 每一时间步检查从节点是否穿透主面，没有穿透则从节点不做任何处理；如果穿透则在该从节点与被 穿透主面之间引入一个较大的界面接触力，其大小与穿透深度、主面刚度成正比，这个接触力亦称为罚函 数值。接触力由下面公式计算： F  k

(3)

2. 有限元模型的建立 2.1 有限元模型 简化计算模型建立后如图 2 所示。

2.2 模型主要构件的材料本构模型如下： 防撞拱的材料为 Q345D 钢材，Cowper-Symonds 模型[8]是冲击问题中考虑了应变率的最为常用的的弹塑 性模型，其表达形式如公式所示。



1 p

 y  [1  ( ) ]( 0  E p  effp )

(4)

C

 和  0 分别是应变率和初始的屈服强度，  是决定材料强化类型的一个变量，取值在 0 到 1 之间，当它取

0 是材料为随动强化模型，当它取 1 时材料为等向强化，取值如果在 0 和 1 之间表示材料是两种强化模式的 混合。Ep 代表材料的强化模量，  eff 为材料的有效塑性应变，C=40.4，P=5.0。钢材材料基本参数如表 1。 p

≥345

≥470

-3www.ivypub.org/cet

C35 混凝土

3.15×104

3 重度(kN/m 重 )

1.0×100-5

25

6.0×103

3

1.5×10

0.2

2

24500

0.25

0.6 6

24500

2 2.3 主要边 边界条件处理 理： 撞击过程 程中最主要的 的接触关系为 为船舶与防撞 撞拱之间的接 接触，接触法 法向正压力由 由材料自身的 的特性所决定 定， 切 切向摩擦力定 定义船舶和防 防撞带之间摩 摩擦系数，钢 钢材与钢材之 之间的摩擦系数为 0.15。

3 模型计 3. 计算结果比 比较及分析 析 图 5 为防 防撞带变形前 前与放大 3 倍后最大变形 倍 形时的云图，由图可知，防撞带在遭受 受船舶撞击后 后，变形量并 并 不 不大，且碰撞 撞结束后，防 防撞带可以恢 恢复原来的形 形状，说明在 在防撞带不损 损坏的情况下 下又能够很好 好的起到保护 护 桥 桥梁的作用。

3 3.1

3 3.2

3 3.3 碰撞能 能量转化时程 程曲线分析 析 在碰撞过 过程中满足能 能量守恒定律 律。船舶的撞 撞击动能（括 括附连水质量 量提供的动能 能，本文计算 算中通过增加 加 船 船的质量代替 替附连水质量 量)转化为如下 下几种能量： ：(1)撞击过程 程中船的弹塑 塑性变形能及 及碰撞结束时 时刻撞击船及 及 附 附加水的剩余 余动能；（22）防撞带的弹塑性变性能及动能；（3）构件之 之间摩擦耗散 散能；（4）计 计算过程中由 由 于 于沙漏现象损 损失的能量。

3 3.4 防撞装 装置其他参数 数评估 除了从防 防撞带上的碰 碰撞力、碰撞 撞处位移和能 能量转化从整 整体上评估防 防撞装置的防 防撞能力外，为了保证防 防 撞 撞装置不被损 损坏，将有限 限元计算值与 与相应材料的 的允许承载应 应力列于表 4。 。 通过有限 限元计算的应 应力值与材料 料的允许承载 载应力值对比 比可知，防撞 撞装置的各部 部件应力最大 大值都小于其 其 相 相应的允许承 承载应力，防 防撞设置在遭 遭受船舶撞击 击时不会破坏 坏，对桥梁能够起到保护作 作用。 表 4 应力值对比 比

380

2 2.65/0.77

1.07

0.3

470

2 23.4/2.2

2

0.6

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【作者简介】 1

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Simulation of Colliding Process of Arch Bridge Self-floating Anti-collision Facility

In this paper, the process that the arch bridge self-floating anti-collision facility was struck by a ship was simulated with FEM,in order t...