近几十年来，随着交通事业的蓬勃发展，跨海和通航江河的大型桥梁建造越来越多；与此同时，世界船舶也进一步大型化，随之而来的船舶撞击桥梁的事故也日益增多。据不完全统计，在过去几十年里，仅发生在我国长江、珠江、黑龙江三大水系干线上的船撞桥事故就达300起以上。在这些事故中，尽管船撞桥后大型桥梁坍塌的事故所占几率非常小，但是，船撞桥事故的后果仍然是怵目惊心的。因此，近年来船桥碰撞机理特别是桥墩防撞装置的研究也得到越来越多的关注。

钢质桥墩防撞装置作为一种较好的防撞设施现广泛应用于桥梁防撞设计。船舶与桥墩防撞装置的碰撞是两者在很短的时间内相互作用的一种复杂的非线性动态响应过程。碰撞过程中的不确定因素颇多，几乎不可能通过建立一个精确的数学模型而使两者的碰撞问题得到完全的解析。因此，随着非线性有限元技术的日益完善和计算机硬件水平的不断提高，碰撞的数值仿真方法越来越成为解决船桥碰撞相关问题的有效途径。本文采用ANSYS/LS-DYNA模拟一艘5000吨级货船与天兴洲斜拉桥某桥墩钢质防撞装置发生碰撞的过程，计算分析碰撞中防撞装置各构件的吸能规律，并依据计算结果给出合理的结构改进方案。

1有限元模型

1.1防撞装置和船舶有限元模型

本文主要研究对象防撞装置的有限元模型基本上按照实际结构形式和尺寸建立，仅把结构中的极小构件（如小肘板、尖角过渡等）进行了适当的等效处理，以免网格划分时出现极小尺寸单元，导致积分步长减小，影响整个仿真分析的计算效率，其有限元模型如图1。

对碰撞区船首结构，按照船舶实际构件的布置和尺度，计算模型作了比较详细的描述，其中包括外板、各层甲板、横舱壁等主要板材及主要纵桁材。船体中后部因远离碰撞区，采用二维模型，全船质量分布于船身及船首的各单元上，重心位于中纵剖面上。模拟船体的各几何特性，如：质心、重心和惯性矩均与实船一致。附连水采用附加质量模型，采用一个总附连水质量系数0.04来计入周围流体的作用。

1.2材料模型和失效准则

本文研究对象的材料全部使用船用低碳钢Q235，受撞区域的防撞装置和船头变形破坏较大，材料采用考虑与应变率相关和损伤的双线性等向强化本构模型Cowper-Symonds模型，网格划分时单元尺寸控制在50mm以上，材料模型中各个参数选取如下：初始屈服应力σ0取为2.35×108N/m2；弹性模量E取为2.06×1011N/m2；硬化模量EP取为1.18×109N/m2；密度ρ取为7850kg/m3；泊松比μ取为0.3；对于普通船用钢而言，C=40.4，p=5；材料的最大塑性失效应变取为0.34。

模型建立过程中，板材选用ANSYS/LS-DY－NA材料库中的SHELL163单元，骨材选用BEAM161单元，防撞装置单元数量10074个，船体6089个。

1.3接触的定义和摩擦力的影响

本文计算中接触采用的是单面接触和面面接触。防撞装置、船体自身构件之间的接触定义为单面接触，船首与防撞装置发生碰撞的地方则是面面接触，程序将搜索模型中的所有外表面，检查是否相互发生穿透。

本文研究对象之间的摩擦问题属于钢与钢之间的摩擦。考虑到摩擦能量的损失并不大，本文的算例中对摩擦计算采取简化处理，设静动摩擦系数均等于0.1，且不随压力变化。

2 碰撞计算

    根据当地水文条件，本文碰撞船只船速取为3m/s，碰撞工况取横桥正碰，碰撞计算时间为3s。能量转化、防撞装置受撞后结构损伤分别见 图2，图3。

从图2可见，总能量基本守恒，同时沙漏能得到有效控制，因此结果是有效的。系统总能量为3.84×107J，而防撞装置吸收的能量为3.33×107J。碰撞持续时间约1.5s，1.5s以后系统能量转换趋于稳定。

由图3可以看出，碰撞变形有很强的局部性，结构的变形只限于受撞区域范围内，而远离碰撞区域的结构则仍然保持受撞之前的状态。

计算中防护装置的约束反力即为桥墩受到的碰撞力，由于单点约束的各个节点的约束反力会随着时间变化，为明确每一时刻桥墩所受到的总作用力，将每个时刻约束节点的节点反力相加，图4即为桥墩受到的总作用力随时间变化曲线。由图4可知，桥墩受到的碰撞力存在两个峰值，大致在0.7s出现第1个，约18MN；约1.3s时出现全局最大值，为23.71MN。

表1是防撞装置结构各个构件吸收能量所占总能量的比例情况，从表中可以很清楚地看出防撞装置能量吸收规律。

船舶与防撞装置发生碰撞时，船的总动能除了船舶的剩余动能、沙漏能和接触摩擦能所占的一小部分以外，其余都转化为船[7]和防撞装置的塑性变形能。由表1知，板材是防撞结构中主要的吸能构件，特别是防撞装置的外围壁板和舱壁板，吸能值分别占到总能量的23.4%和15.4%；此外，受撞区的水平加强筋也是主要的吸能构件，如表1中外围板水平桁和舱壁板水平桁，吸能值分别占总能量的7.01%和10.4%。

3 结构改进

由以上计算结果可知，防撞装置与船舶直接接触的外围壁板是吸收能量最大的结构构件，因此为了进一步提高防撞装置的防撞性能，可以在外围壁板的外层再加1层钢板，两层外板之间用橡胶护舷缓冲元件连接，最底部用工字钢相连，主体结构的外围壁板上的水平桁再加2层，起一定的支撑加强作用。有限元模型见图5。

最外层钢板首尾部每隔一定长度就断开，侧部保持连续，这样船只撞上来时只会影响到最外层钢板中的某一部分，不会牵一发而动全身，使得其整体发生破坏。计算时船速仍保持3m/s，碰撞工况仍是横桥正碰，改进后结构受撞损伤和桥墩所受碰撞力见图6，图7。

对比图3和图6可以看出，改进后的防撞装置结构在碰撞过程中受到的损伤比改进前要小，增加的外围壁板由于在首部断开，其受到的损伤只限于首部受撞板材，而与其邻近和远离受撞部位的板材受到的损伤很小，这也就给后续维修带来方便，此外，图3中首部靠近桥墩的防撞装置内部支撑工字钢已经向下凹陷变形，而图6中对应构件则基本保持受撞前状态。图7是桥墩受到的船撞力曲线，比较图4和图7可以很明显地看到图7中船撞力曲线有一个较平缓的峰值阶段，大约在0.7～1.6s之间，最大值为22MN，小于图6中的最大值。

由表2知，附加结构即最外围外挂壁板、外层缓冲元件、外层支撑工字钢吸能占总能量的11.72%，因此除去附加结构，防撞装置主体结构的变形能只占到总能量的70.18%。比较表1知，防撞装置结构总的变形能占总能量的86.881%，这也表明结构塑性变形较改进前小，结构受到的损伤较小，改进后结构在一定程度上保护了防撞装置本身，但改进后结构并没有影响防撞装置的防撞性能，其仍然具有良好的防撞功效。

4结论

1）在船与防撞装置碰撞过程中，碰撞能量主 要被防撞装置以变形能的形式吸收，特别是碰撞区的外围壁钢板吸收绝大部分能量。 

2）防撞装置各个构件的能量吸收情况中，外围壁板吸收的能量最大，其次是舱壁板；而骨材中外围壁板上的水平桁吸能最多，因此通过调整板厚和骨材的布置可以改善防撞装置的防撞性能。 

3）碰撞中防撞装置的变形有很明显的局部性，结构不会在碰撞中整体崩溃，合理地改进防撞装置的结构形式，在达到防撞目的的同时，也可以保护防撞装置本身。