（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）大型下水驳船摇臂回转运动对船尾结构的冲击问题研究.pdfVIP

中文摘要 随着深水海域油田开发的蓬勃发展，导管架的尺度和重量不断增大，导管架 下水驳船性能也随之增强，这就带来船尾摇臂的尺寸和重量的大幅增加，从而使 得回复瞬间摇臂对船体的冲击力巨大且不易控制。目前国内外对于该类驳船设计 的关键技术资料很少，特别是从摇臂在导管架下水后的翻转运动以及反转复位对 驳船尾部甲板冲击的角度的设计研究更少。 本文在阐述摇臂在导管架下水后的运动特点的基础上，首次进行了摇臂回转 撞击驳船尾部甲板的研究。为减缓摇臂对船体冲击作用，文中依据导管架装载及 下水需要、缓冲效果、工程量等对缓冲器的选取进行了深入研究，探讨了缓冲器 的选取标准。为确保缓冲器吸收部分动能后，摇臂不再对驳船造成巨大冲击，本 文依据碰撞力学及动力分析理论，研究了力学模型建立时的区域选择、边界约束 处理等问题，并探讨了运用有限元软件a n s y s 及a n s y s l s d y n a 中的瞬态 动力分析及接触分析模块，采用仿真技术对模型进行动态分析的方法。 依据上述方法，以国内最大的3 万吨下水驳船为例进行实例分析，证实气液 缓冲器的性能十分适合于应用在下水驳船中减缓摇臂冲击作用；认为摇臂撞击驳 船过程可分为缓冲器作用阶段及摇臂直接接触甲板阶段；数值仿真结果表明，两 个作用阶段下驳船结构不会受到破坏，但若缓冲器接触甲板时刻摇臂速度超过 0 1 8 r a d s ，结构就有破坏的危险。 本文通过对摇臂回转撞击驳船尾部整个过程的分析研究，总结了板梁结构受 冲击问题的数值模拟及简化处理方法，可为类似问题的处理提供指导意见，并为 此类大型下水驳船及摇臂的设计提供参考。 关键词：下水驳船；摇臂；撞击；缓冲器；瞬态动力分析；接触分析 a bs t r a c t w i n lt h ed e v e l o p m e n to fp e t r o l e u me x p l o i t a t i o na td e e po c e a n ，t h es c a l e o ft h e i a c k e t si sl a r g e ra n dl a r g e r ，a n dt h e ni ti sn e e d e dt op r o m o t et h ep e r f o r m a n c eo f t h e i a c k e tl a u n c h i n gb a r g e s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ew e i g h to fr o c k e ra r m sa tt h es t e r n , t h ei m p a c to ft h er o c k e ra r m sa g a i n s tt h eb a r g ei sh u g ea n dh a r d t oc o n t r o l i _ 1 1 e p i v o t a lt e c h n o l o g ) rd a t aa b o u tt h ed e s i g n o ft h eb a r g e so ft h i st y p ei su n w o n t e d ， e s p e c i a l l va b o u tt h em o t i o no ft h er o c k e ra r m sa f t e rj a c k e tl a u n c h i n ga n d t h ei m p a c t o ft h er o c k e ra r m so nt h eb a r g e b a s e d0 nt h et r a i to ft h em o t i o no ft h er o c k e ra n i la f t e rj a c k e tl a u n c h i n g ，t h ei m p a c t 0 t t h er o c k e ra n n so nt h eb a r g ew a sf i r s t l ys t u d i e di nt h i sp a p e r t h ed e s i g nc r i t e r i o no t t h eb u f f e r 、a sd e e p l yi n v e s t i g a t e da c c o r d i n g t ot h ep r a c t i c a ln e c e s s i t y t h er e g i o na n d b o u n d a r vc o n s t r a i n t o ft h em o d e lw a sd i s c u s s e da c c o r d i n gt o t h et h e o r yo ft h e c o l l i s i o nm e c h a n i c sa n dd y n a m i ca n a l y s i s t h em e t h o d o fd y n a m i ca n a l y s i su s i n gt h e t r a n s i e n ta n a l y s i sm o d e la n dt h ec o n t a c ta n a l y s i sm o d e lo ft h ef i n i t ee l e m e n ts o f t a n s y sa n da n s y s l s d y n aw a sa l s od i s c u s s e d a3 0 0 0 0t o nj a c k e tl a u n c h i n gb a r g ei s t a k e nf o ra ne x a m p l ea c c o r d i n gt o t h e f o r e g o i n gs t u d y t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o nc a n b ed r a w n f i r s t l y , t h eg a s - l i q u i db u 行e r i sv e r ys u i t a b l ef o rr e l i v i n gt h ei m p a c tf o r c eo nt h el a u n c h i n gb a r g e s e c o n d l y , t h e w h o l ei m p a c tp r o c e s sc o u l db ed i v i d e di n t ot w os t a g e si n c l u d i n gb u f f e r i n gs t a g ea n d t h es t a g eo fd i r e c tc o n t a c tb e t w e e nt h er o c k e ra r ma n dt h ed e c k t h i r d l y ，t h es t r u c t u r e o ft h el a u n c h i n gb a r g ew o n tb ed a m a g e da tb o t ho ft h es t a g e s u n l e s st h ei n i t i a l v e l o c i t yo ft h er o c k e ra r mr e a c h e d 0 18r a d i a n sa tt h es e c o n ds t a g e f i n a l l y t h eg e n e r a li d e ao fs o l v i n g t h ep r o b l e mo fi m p a c to nt h es t r u c t u r em a d eu po f s h e l la n db e a mb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n das i m p l i f i e da p p r o a c hw a ss u m u p i tc o u l dp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g n o fl a r g el a u n c h i n gb a r g e sa n dr o c k e r a r l t l s k e yw o r d s ：l a u n c h i n gb a r g e ；r o c k e ra r m ：i m p a c t ；b u f f e r ：t r a n s i e n ta n a l y s i s c o n t a c ta n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：g 鼬饱 签字日期： 加c 7 年月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进存检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：考晶钨 导师签名： 签字日期：w c l 年月乡日 签字日期：j 觎歹年广月弓日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 问题的引出 第一章绪论 海洋开发是继上世纪4 0 年代原子能开发、5 0 年代宇宙空间开发以后，于6 0 年代蓬勃兴起的一个具有战略意义的开发领域。与之相对应，开发和利用海洋资 源，就必须在海上设置和安装一系列的工程结构物。所谓海洋工程结构物，是为 海洋开发所建造的结构物的总称。用于海洋石油勘探和开发的各种海洋结构物可 分为：海上固定式结构物、移动式结构物、系泊装置、海底井口地盘装置以及海 底管线。 许多固定式海洋平台钢结构由竖立于海底的导管架和上部平台组成。导管架 和上部平台分别在陆上制作完成，然后由工程船运输到油田区域进行导管架下 水、定位。小型导管架一般由半潜驳运输，再靠大型浮吊吊至海中指定位置；大 型导管架则由导管架下水驳船运输到位后，利用船舶纵向倾斜及船上的下水装置 克服导管架与滑道的摩擦阻力使导管架直接下水。 导管架下水装置是下水驳船的关键设备之一，导管架下水装置通常包括：摇 臂，滑道和推拉装置等【1 1 。其中，摇臂安装在船尾，一般高2m 左右，长度为2 0 3 0 m ，大型下水驳船例外。每船设有两个摇臂，两臂之间的距离可以跟滑道一样调 节。其作用就是导管架沿船纵向最后滑向水里的过渡装置，在最后导管架整个重 量都压在摇臂上，通过摇臂的翻转，使导管架下水。因此摇臂及摇臂底下的支撑 必须设计合理，坚实可靠，能够承受住导管架的重量。摇臂的型式一般为两根单 梁、转动点在尾垂线上。但也有的驳船其摇臂型式为大小摇臂，即在大摇臂上还 设有一个小摇臂。另外摇臂还配有其它一些辅助设施，如摇臂锁定装置、摇臂防 碰垫。 导管架下水后，置于下水驳船尾部的摇臂根据下水状态具有两种复位情况： 第一种，摇臂在自身重力、浮力、惯性力以及船体运动的作用下自动翻转复位； 第二种，摇臂不能自动复位，必须借助浮吊或其它设备将摇臂翻转至驳船甲板。 针对大型导管架下水问题，随导管架尺寸、吨位的上升，与之相匹配的下水驳船 及摇臂尺寸、重量也会随之上升，因此摇臂无论以上述何种方式复位，都将对甲 板产生较大的冲击作用1 2 j 。 为了减缓摇臂回转时，对船体甲板产生的冲击作用，就必须选取适当的缓冲 天津大学硕士学位论文第一章绪论 设备来实现。那么，如何为大型导管架下水问题选取最适当的缓冲设备，将很大 程度上影响着导管架的顺利下水及下水驳船的使用寿命。 同时，即使缓冲设备吸收了部分撞击能量，但若摇臂回转速度过大，仍可能 引起结构的破坏，因此，如何合理有效地控制摇臂回转速度及回转撞击力，也极 具工程意义。 1 2 国内外研究现状 现有关于船舶碰撞问题的研究主要集中在船一船、船一桥、船一平台碰撞领域， 而下水驳船中摇臂回转对驳船的撞击研究，国内尚未见到相关文献。 船舶碰撞是船体结构在很短时间( 大约零点几秒到一点几秒) 内在巨大冲击 载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程，碰撞区构件一般都要迅速超越弹 性阶段而进入塑性流动状态，并可能出现屈曲、撕裂等各种形式的破坏或失划引。 摇臂回转撞击下水驳船问题中，虽然摇臂相对驳船而言，质量较小，但其回转速 度高达每秒十几甚至二十几度，这就使得驳船受到巨大的冲击载荷作用，同样是 一种复杂的非线性动态响应过程。因此，以往关于船舶碰撞的研究也可作为摇臂 回转撞击下水驳船研究的理论基础【4 】。 船舶碰撞和触底事故的研究经过几十年的发展，可以分为经验公式法、解析 法、数值仿真技术、试验研究法【5 】，以及近几年才发展起来的风险分析法阳】。 自从m i n o r s k y 于1 9 5 9 年根据船舶碰撞事故统计分析结果，提出了结构变形 能与参与变形的结构损伤体积之间成线性关系后，利用解析法分析船舶碰撞和触 底事故的技术得到了较大的发展。但是m i n o r s k y 公式具有很大的局限性，其推导 依据是2 0 世纪6 0 年代以前船舶事故的统计资料。数据量不足且无法满足现代船 舶结构形式特点。因此m i n o r s k y 公式不断被修正，h a y w o o d 、j o n e s 、w o i s i n 等人 都对m i n o r s k y 理论进行了修正，扩大了m i n o r s k y 公式的应用范围。p e d e r s e n 和 z h a n g 根据结构损伤机理对m i n o r s k y 公式进行了更新，认为船舶碰撞中结构吸收 的能量是结构塑性拉伸变形能e l ，结构压溃褶皱变形能e 2 和结构撕裂变形能e 3 之和，p a i k 提出的修正方案为：m i n o r s k y 公式只计算被撞船外板和甲板的变形体 积，此外还应当考虑舷侧纵桁、强框架和内壳的变形体积，因此船舶碰撞中结构 变形能与贯入船侧的船首体积成线性关系。 数值仿真技术成功运用于船舶碰撞和触底事故分析得益于计算机运算性能 的飞速发展，它可以精确地描述碰撞船舶的结构布置形式、材料的特性、结构变 形模式和载荷的变化过程，具有解析法无法比拟的优势。现在用于船舶碰撞和触 底事故数值仿真分析的有限元软件主要有：显式的d y t r a n ，l s d y n a ， 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 r a d i o s s ，a b a q u s e x p l i c i t ，l s d y n a 3 d ，隐式的n a s t r a n ，a n s y s ， a b a q u s i m p l i c i t ，m a r c 。数值仿真方法中的一些技术性问题在近些年也成 为研究的热点。数值仿真中有限元模型网格大小的选取与结构材料的失效模式紧 密相连。s e r v i s 和s a m u e l i d e s 认为模型网格大小依据实验数据确定。顾永宁和高震 通过b e n c h m a r k 研究认为网格大小与材料极限应变相关。准确地定义材料失效准 则对正确模拟碰撞过程非常重要，k i t a m u r a 认为平均失效应变取决于结构布置、 系统刚度和撞击位置非支撑构件的跨距。g l y k a s 等对碰撞中船首不同区域的结构 材料失效准则进行了研究，将g l 规范准则c o d 准则和s e d f m 准则进行了比较分 析。s e r v i s 将最大塑性应变1 8 作为失效准则。此外，材料的应变率影响也是必 须考虑的，王自力和顾永宁对船用钢材的应变率影响进行了研究，现在公认 c o w p e r - s y m o n d s 本构方程和实验结果吻合得较好【7 】。 近几年，一种将船舶结构损伤和船舶事故概率统计相结合的风险分析方法被 应用到船舶碰撞与触底事故分析中。b r o w n 对影响船舶碰撞与触底事故的随机变 量进行了统计分析，建立的一个碰撞场景模型s i m c o l ，能够通过对随机变量的分 析预报出船舶结构损伤和能量吸收。o t t o 等利用风险分析方法，对滚装船在碰撞 和触底事故中的结构损伤风险性进行了评估。c h e n ，t i k k a 等都对船舶与触底事 故的风险性分析技术进行了研究1 8 】。 这些方法中，解析法和数值仿真技术较为成熟；经验公式法由于采集到的事 故数据有限，其准确性有局限；试验研究方法由于无法确定相似律，只能进行局 部船体和单独构件的实体试验，试验规模受限且代价很大；风险分析法是全新的 将概率统计方法和损伤机理结合起来，同时考虑事故出现的可能性和后果的方 法。 1 3 本文研究内容 本文以国内唯一一艘3 0 0 0 0 吨的大型下水驳船为例，在考虑缓冲器作用下， 对摇臂回转撞击下水驳船尾部结构问题进行数值仿真研究，确定极限初速度及极 限冲击力，并提出解决此类问题的一般思路。 主要内容包括： 首先，结合摇臂回转撞击下水驳船问题的实际需要，进行大量的资料搜集， 选取合适的缓冲设备，来减缓摇臂对下水驳船的冲击作用； 第二，根据导管架下水后摇臂运动特点，将撞击过程细化，分为缓冲器作用 阶段和摇臂直接接触甲板阶段来分别研究； 第三，针对摇臂撞击下水驳船尾部结构问题的特点，采用有限元技术，探讨 天津大学硕士学位论文第一章绪论 能够反映撞击过程各阶段实际情况并满足研究需要的数值仿真模型； 第四，采用非线性动态分析软件a n s y s 和a n s y s l s d y n a ，完成对此问 题的数值模拟计算； 第五，对求解结果进行分析，经过大量数据处理，分析摇臂回转撞击船尾结 构的极限初速度和冲击力； 最后，提出这种板梁结构受冲击问题的简化处理方法。 1 4 本文研究意义 首先，本文涉及为减小摇臂回转作用力而采用的缓冲器的选取，现阶段关于 缓冲器作用过程以及处理方法的研究很少，所以关于缓冲器的理论研究很有意 义； 其次，与稳定性相关的极限载荷问题已研究的较多，但与随时间变化的动力 响应相关的极限载荷问题研究的较少，所以研究这类极限载荷问题很有理论意 义； 再者，在本次研究中，摇臂本身是有质量的，摇臂在撞击船体甲板后，可能 会立即反弹，也可能会落在甲板上，成为船体的一部分，同甲板一起往复运动， 这是它同一般碰撞问题的不同之处，若能得出关于此类问题用有限元软件进行数 值模拟的一般方法以及简化处理此类问题的普通方法，将具有很好的理论及工程 意义。 天津大学硕士学位论文第二章碰撞过程分析及缓冲方法研究 第二章碰撞过程分析及缓冲方法研究 本章阐述了摇臂在导管架下水后的运动特点，根据这些特征并结合碰撞力学 知识，选择适当的研究方法，来解决摇臂回转撞击驳船尾部问题。 2 1 摇臂工作阶段分析 下水驳船区别于其它普通驳船最突出的结构，就是在船艉设置有带转动轴的 摇臂，摇臂是在导管架滑下水瞬间用来托着导管架一起摇动的钢臂。 下水驳船摇臂一般为两根单梁，通过转轴及锁定装置安装于驳船尾部，两臂 之间的距离可以根据滑道间距进行调节，并配有摇臂防碰垫。摇臂使导管架在下 水过程中受到的反力为分布力。摇臂工作阶段可分为三个： 1 ) 导管架拖拉上船阶段：此时摇臂保持与驳船滑道齐平对接，通过锁定装 置固定于驳船尾部，摇臂前端通过焊接肘板与甲板临时固定，防止摇臂在导管架 拖拉上船过程中翻转运动。一旦导管架就位，切除固定肘板。 2 ) 导管架滑移下水阶段：初始阶段摇臂与导管架以相同纵倾角度翻转，当 导管架的重心纵向位置滑移通过摇臂在船尾的转轴时，摇臂将在导管架载荷作用 下做无约束的加速翻转运动，直至导管架与摇臂完全脱离。 3 ) 导管架与摇臂完全脱离后阶段：摇臂有可能出现两种不同方向的翻转运 动：一种是摇臂继续向船尾方向翻转，最后直立于驳船尾部；另一种是摇臂反过 来向船首方向翻转，最后以一定的速度自动复位至驳船尾部甲板。摇臂在导管架 下水后的翻转运动不仅与自身的几何形状、重心位置有关，而且与船体的浮态、 导管架与船体的相对运动、导管架下水对水面的剧烈扰动等诸多因素有关。 在导管架与摇臂完全脱离后，若摇臂自动复位时间过短，复位角速度过大， 有可能对导管架或驳船甲板造成损伤。所以对导管架下水后摇臂的翻转运动状态 进行分析是十分必要的。 根据以上分析，导管架拖拉上船及滑移下水阶段的实现，主要依靠摇臂的合 理设计，不作为本论文的研究重点。但导管架与摇臂完全脱离后，摇臂回转若对 驳船尾部结构产生过大冲击力，会导致驳船结构的破坏，因此导管架下水后，摇 臂回转撞击驳船过程是本文研究的重点。 随着2 0 0 3 0 0 米水深海域油田开发，导管架的尺度和重量不断增大，导管架 天津大学硕士学位论文第二章碰撞过程分析及缓冲方法研究 下水驳船性能也随之增强，这将引起船尾摇臂的尺寸和重量的大幅增加，如目前 国内最大的3 万吨导管架下水驳船的摇臂高度及长度达到7 5 m 及4 1 m ，重量高 达6 1 0 吨左右，回复瞬间摇臂对船体的冲击力极大且不易控制。所以对导管架下 水后摇臂翻转撞击驳船尾部结构进行分析是十分必要的。 2 2 缓冲方案研究 不同于普通的船一船碰撞，舷侧可有护航设备缓冲，摇臂回转撞击甲板结构 问题，属平板之间碰撞问题，若不采取任何缓冲措施，极易由于摇臂的极大冲击 作用对驳船甲板造成损伤。本节目的即根据此类碰撞问题的特殊性，研究缓冲设 备选取的标准，以为同类问题提供指导。 1 ) 缓冲器类型选取 在选取下水驳船用缓冲设备时，主要需考虑以下几个方面因素：缓冲效果好； 尽量避免施工难度过高；缓冲设备不可增加导管架下水阻力，尽量使摇臂在自由 状态下翻转使导管架下水；缓冲设备需耐腐蚀性强，且维修方便。 通过查阅多种缓冲器的资料，了解其作用过程，找出几种作为备选，其中包 括液压缓冲器，扭转缓冲器，但经过进一步研究发现，这两种缓冲器都不甚合适。 液压缓冲器的作用原理是将缸体中的液体通过小孔流出，将运动体的动能转 化为所流出液体得热能，并循环使用【9 1 ，如果小孔设计不合理，可能导致缓冲器 起作用太慢，效果不明显；液压缓冲器若长期在水中浸泡，可能引起缓冲器的腐 蚀，影响缓冲效果；一般液压缓冲器高度较高，不方便将导管架拖上摇臂。 扭转缓冲器即相当于在运动体和被撞体之间增加弹簧【1 0 】，这样就使得整个过 程中，一直存在阻尼力，在摇臂护送导管架下水时，也存在阻尼力，这样就会使 得导管架下水前，摇臂转动速度较慢，可能导致瞬时导管架与摇臂之间产生点接 触，造成应力集中，破坏导管架结构；同时，造价昂贵。 后经研究发现，当前火车速度可以达到很大，因此在变速或停车时，各车厢 之间会产生较大作用力，为减小这种作用力，各车厢连接处均布置有缓冲设备， 即气液缓冲器【l ，这种缓冲器是由气缸和液缸共同组成，既便于安装，又可保证 摇臂在自由状态下翻转使导管架下水，缓冲效果也较明显，比较符合此次研究的 需要。 因此，可在下水驳船中摇臂前端布置气液缓冲器，作为摇臂撞击甲板的缓冲 设备，这将是国内首次将火车各车厢之间用到的缓冲器应用到船体结构上，既是 创新，又适合实际需求。 2 ) 缓冲器个数选择 6 天津大学硕士学位论文第二章碰撞过程分析及缓冲方法研究 若只采用一个可吸收大量能量的缓冲器的话，缓冲过程中，缓冲器接触甲板 部位就会受到相当大的集中力，可能产生应力集中，导致结构破坏。因此，在布 置缓冲器时，应当根据船体结构的型式，将缓冲器吸收的能量分散开来，在摇臂 前端两侧对称位置布置若干气液缓冲器。 3 ) 缓冲器预反力设计 前面已经提到，摇臂的前端与主甲板上的两条贯通全船的纵向滑道相接，摇 臂与滑道一起可以在距船中一定范围内进行调节，以适应不同尺度导管架下水的 需要。也就是说，不同尺寸导管架下水时，摇臂安装位置都会有所调整，这就使 得我们无法根据缓冲器具体作用于甲板位置的强度来设计缓冲器的最大预反力 值。因此，为了保证结构强度，在设计缓冲器最大预反力时，应以甲板结构强度 较弱部位可承受最大反力值为依据。 2 3 研究方法选择 在经典力学中，处理碰撞问题一般利用冲量定理和冲量矩定理来确定碰撞双 方运动变化关系；以经验性的恢复因数k 来反映碰撞过程中机械能损失的程度。 在碰撞过程中，导致碰撞物体的运动状态发生变化的因素很多，但这些因素 如何影响物体运动状态的变化，是一个比较复杂的问题。经典力学中仅用一个参 数来表示这些因素的综合影响。这个参数即为恢复因数k ，其定义为：碰撞后两 物体接触点沿法向的相对速度“? 与碰撞前的法向相对速度v ：之比，即 后：乓 ( 2 - 1 ) 1 ，： 、 由此可见，恢复因数是表示物体在碰撞后相对速度恢复的程度，也表示物体 变形恢复的程度。它与碰撞物体的材料、形状等有关。实际材料的恢复因数在0 1 的范围内，并可用实验直接测定【1 2 】。 经典力学中，相撞的两物体简化为质点，未深究碰撞过程中力的变化和量度 以及具体材料抗冲击性、弹塑性及物体自身的结构组成问题。然而摇臂与驳船的 碰撞过程远不像经典力学假设的质点一速度系统那样简单，其特殊性和复杂性表 现在： 1 ) 摇臂与驳船都具有独特的空间组成结构，且两者之间通过船尾转轴连接 在一起，存在初始接触，不可将两者简单地看作质点； 2 ) 摇臂与驳船的碰撞发生在局部区域，对应的材料及结构形式对碰撞中的 能量损失影响较大； 3 ) 碰撞过程力和能量的量化对于计算驳船的安全性、防护设施的适用性很 天津大学硕士学位论文第二章碰撞过程分析及缓冲方法研究 有必要； 4 ) 船体的浮态、导管架下水对水面的剧烈扰动等因素可能对摇臂回转撞击 驳船过程产生一定的影响，这使整个碰撞过程更加复杂化。 基于以上分析，运用经典力学的解析法已无法解决摇臂回转撞击驳船问题。 随着计算机技术的发展，数值仿真技术不断地趋于成熟，它可以精确地描述碰撞 物体的结构布置形式、材料的特性、结构变形模式和载荷的变化过程，具有解析 法无法比拟的优势。现在存在很多可用于碰撞问题数值仿真分析的有限元程序， 如显式的d y t r a n ，l s d y n a 等，隐式的n a s t r a n ，a n s y s 等。 综合以上分析，本文选取数值仿真分析方法来进行摇臂回转撞击驳船问题研 究，至于具体选用何种软件的何种分析模型，将在实例计算中加以分析。 2 4 阶段划分及分析 在摇臂尾部安装了气液缓冲器后，摇臂回转复位时，并非直接作用于甲板结 构，而是通过缓冲器的缓冲吸收摇臂部分动能以后，才直接撞击到甲板结构。摇 臂直接接触甲板结构时，回转速度已大大降低，摇臂对甲板的冲击力也进而降低。 如此来看，整个撞击过程可以分为两个阶段：缓冲器缓冲阶段和摇臂直接接触甲 板阶段。 2 4 1 缓冲器缓冲阶段 在这个时间段里，摇臂通过缓冲器与船尾甲板结构接触，摇臂的其它部份尚 未接触到船尾甲板。随着缓冲器不断地吸收能量，它们还对甲板结构产生不断变 化的反作用力。一旦完成气液缓冲器的设计，就可得到缓冲器作用过程中，行程 与反力之间的作用曲线，根据摇臂下部缓冲器接触甲板时，摇臂的初速度，以及 缓冲器作用过程中，反力随行程变化关系，即可计算出反力随时间变化关系。 通过以上分析可知，在这个阶段中，缓冲器作用位置一直受到随时间变化的 反力。众所周之，静力分析也许能确保一个结构可以承受稳定载荷的条件，但这 些还远远不够，尤其在载荷随时间变化时更是如此1 1 3 】。著名的美国塔科马海峡吊 桥在1 9 4 0 年1 1 月7 日，也就是在它刚建成4 个月后，受到风速为4 2 英里小时 的平稳载荷时发生了倒塌。这也就更体现了对结构进行动力分析的重要性【1 4 】【1 5 】。 瞬态动力学分析又称时间历程分析( 简称时程分析) ，用于计算结构在方位 或大小随时间任意变化的载荷作用下的动力学响应，目的是得到结构在受动态作 用的情况下位移、应变、应力等随时间变化的解【l 引。 瞬态动力分析可以应用在以下设计中：承受各种冲击载荷的结构，如：汽车 天津大学硕士学位论文第二章碰撞过程分析及缓冲方法研究 中的门和缓冲器、建筑框架以及悬挂系统等；承受各种随时间变化载荷的结构， 如t 桥梁、地面移动装置以及其它机器部件；承受撞击和颠簸的家庭和办公设备， 如：移动电话、笔记本电脑和真空吸尘器等【l 刀。 结合对此阶段问题的分析以及瞬态动力分析的特点，研究这个阶段的船体结 构强度问题，最直接有效的方法是利用有限元软件a n s y s 建立全船有限元模型 引，进行瞬态动力分析，完成对缓冲器作用过程的数值模拟。但建立全船有限元 模型过于繁琐，因此，可以考虑适当对模型进行简化【1 9 】。 2 4 2 摇臂直接接触甲板阶段 当摇臂直接接触甲板时，虽然缓冲器已经吸收了部分能量，减小了摇臂回转 的速度，但仍然会对船尾结构产生较大冲击力。根据摇臂前端的缓冲器接触甲板 时的初速度，以及能量守恒定律，可以得出摇臂直接接触甲板瞬时的角速度，但 很难通过计算准确得出此刻的冲击力。这就需要我们找到能有效解决此阶段摇臂 与甲板接触问题的数值模拟方法【2 0 1 。 接触问题是常见的一类工程问题，弹性地基与及地基梁及基础之间的作用、 机械系统中齿轮面的相互咬合、硬度计与测量试件之间的作用等，都涉及到接触 问题的分析【2 。 实际的接触过程在力学中可能会涉及到多种非线性因素，除大变形接触问题 引起的材料非线性和几何非线性以外，还有接触界面间摩擦条件的非线性等【2 2 1 。 接触问题具有如下的非线性特征： 1 ) 接触区域的范围、接触物体的相互位置以及接触的具体状态都是未知的， 例如：物体表面之间接触或分开可能是突然变化的，在事先无法得知；由于在加 载过程中材料的变形，点接触可能会发展为面接触，这都体现出接触问题的高度 复杂性。 2 ) 接触条件往往具有非线性特征，接触条件包括：接触物体之间不可相互 侵入；接触界面间法向作用只能为压力：切向接触的摩擦条件。这些条件的共同 特征是具有高度非线性的单边性不等式约束。 接触界面特征的未知性以及接触条件的非线性特点，使得接触分析的过程中 必须经常进行接触界面的搜索和判断的操作环节，这使得问题的收敛变得不那么 容易。接触过程的高度非线性需要研究比求解其他非线性问题更为有效的分析方 案和方法。 接触问题分为两种基本类型： 1 ) 刚体和柔性体之间的接触问题。接触面的一个或多个被当做刚体( 与它 接触的变形体相比，刚度大很多) ，一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触 9 天津大学硕士学位论文第二章碰撞过程分析及缓冲方法研究 时，问题可以被假定为刚体柔体的碰撞，许多金属成形问题归为此类接触。 2 ) 柔性体和柔性体之间的接触问题。柔性体和柔性体之间的接触问题是更 加带有普遍性的接触问题类型。在这种问题中，接触的物体都是可变形体。 l s d y n a 是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的 各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金 属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工 程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包，与实验的无数次对比证实了其计算 的可靠性。 目前有很多前处理器都支持l s d y n a 求解程序，如a n s y s 、h y p e r m e s h 、 f e m b 等。a n s y s l s d y n a 将显式有限元程序l s d y n a 和a n s y s 程序强大 的前后处理结合起来。使用本程序，可以用a n s y s 建立模型，用l s d y n a 做 显式求解，然后用标准的a n s y s 后处理来观看结果。也可以在a n s y s 和 a n s y s l s d y n a 之间传递几何信息和结果信息以执行连续的隐式一显式显式 一隐式分析，如坠落实验、回弹、及其它需要此类分析的应用 2 3 】。 经过对适合于接触分析的非线性有限元软件a n s y s l s d y n a 软件及相关 接触理论的了解，要解决这阶段摇臂与船体的接触碰撞问题，最直接有效的方 法就是利用有限元软件a n s y s l s d y n a ，建立摇臂及船体模型，进行接触分 析。 2 5 本章小结 本章通过研究摇臂在导管架下水后的运动特点，对整个碰撞过程有了整体把 握，并结合碰撞力学知识，探讨了摇臂回转撞击驳船尾部问题的研究方法。主要 工作及结论如下： 1 ) 分析摇臂工作的三个阶段：导管架拖拉上船阶段、滑移下水阶段、导管 架与摇臂完全脱离后阶段，提出了第三阶段中摇臂回转时撞击驳船的危险性，将 其作为本文工作的重点： 2 ) 通过对摇臂运动特点、各种类型缓冲器的作用方式等问题的研究，认为 气液缓冲器适合在下水驳船中用于减缓摇臂回转冲击力； 3 ) 结合碰撞力学知识及此类碰撞的特殊性，本文决定选取数值仿真分析方 法来进行摇臂回转撞击驳船问题研究： 4 ) 在考虑摇臂前端安装气液缓冲器后，将碰撞过程分为两个阶段：缓冲器 作用阶段及摇臂直接接触甲板阶段，并根据各阶段特点，决定分别采用瞬态动力 分析及接触分析技术来进行基于有限元的数值仿真研究。 天津大学硕士学位论文第三章实例分析 第三章实例分析 本章依据上章所述理论及方法，以国内最大的3 万吨下水驳船为例，进行摇 臂回转撞击驳船尾部结构分析，完成缓冲器选取及数值仿真模型建立。 3 1 工程背景介绍 本文对国内唯一一条3 0 0 0 0 t 大型下水驳船进行实例分析计算，此驳船长 2 1 5 m ，在船尾左右舷两侧各设置一个带有转动轴的长4 1 1 3 5 m ，高7 5 3 5 m 的大 型摇臂。如下图所示，摇臂包括：摇臂本体1 ，摇臂本体l 由外板及内部纵横交 错的隔板焊接组成的钢结构箱形梁，摇臂底部的中间位置上采用焊接方式连接有 摇臂转轴3 ，摇臂转轴3 的转动点设在尾垂线上。 图3 1 摇臂简图 使用时，摇臂成对安装在驳船的艉部的凹槽内，根据工程对两个摇臂滑道间 距的要求，将摇臂转轴通过锁紧装置固定于驳船艉部的凹槽内，使得摇臂做绕定 轴的旋转运动。摇臂总长度的一半探出船艉，摇臂的前端与主甲板上的两条贯通 全船的纵向滑道相接，摇臂与滑道一起可以在距船中一定范围内进行调节，以适 应不同尺度导管架下水的需要。在导管架沿船舶纵向滑移下水的最后阶段，导管 架整个重量压在摇臂上，通过摇臂的翻转使导管架下水，如下图所示。 天津大学硕士学位论文第三章实例分析 图3 2 摇臂翻转时使用状态示意图 由于摇臂本体l 内设有压载水舱、进水口、出水口，压载水舱的压载容水量 与摇臂入水的体积形状、摇臂自重和重心位置相互匹配，使得导管架下水后摇臂 能自动翻转复位。 摇臂自动翻转复位时，由于摇臂吨位及绕转轴惯性矩较大，极易对船尾甲板 结构造成一定的损伤。这时，就有必要采取适当的缓冲措施来减小摇臂回转撞击 甲板结构的冲击能量。 3 2 缓冲器选取 根据前面对缓冲方案的研究，在此驳船中采取在转轴前部每个摇臂两侧对称 布置6 个气液缓冲器的措施，如下图中标号8 所示。 图3 3 缓冲器安装位置示意图 天津大学硕士学位论文第三章实例分析 在导管架下水状态调整完毕后，驳船导管架通过滑道将部分重量作用于摇臂 之上，摇臂本体1 平置于上甲板，气液缓冲器8 与上甲板接触并保持一定预压 力。此时由于驳船具有一定的尾倾，摇臂后端大部分位于水下，海水通过进水口 5 进入压载水舱4 ，进而减小了摇臂的浮力，达到减小阻碍摇臂随导管架一起向 船尾方向翻转的力矩。当导管架重心位置纵向滑过摇臂转轴3 位置时，导管架随 摇臂开始向驳船尾部方向翻转，摇臂前端珩置的气液缓冲器8 与上甲板脱离接 触，预压力瞬间卸除。随着导管架不断的下滑，船体尾部入水深度由浅入深，摇 臂向船尾转动，摇臂重心转过摇臂转轴，其自重提供摇臂向继续向船尾翻转的力 矩；而随着导管架与摇臂完全脱离，船体尾部入水深度由深转浅，摇臂压载水舱 4 内的海水随着出水口6 从水下露出而流出压载水舱4 ，原压载水舱4 内海水提 供的阻碍摇臂回复翻转力矩逐渐减小：摇臂本体l 在浮力的作用下开始向回复翻 转，随着摇臂向回翻转，摇臂重心翻转越过摇臂转轴3 ，摇臂自重产生的力矩方 向从使摇臂向尾部翻转变为促使摇臂翻转复位的相反方向：当摇臂以一定的角速 度自动翻转复位砸向甲板时，气液缓冲器8 首先与甲板接触。气液缓冲器8 瞬间 被压缩并吸收摇臂部分动能，大大降低摇臂翻转速度，进而降低摇臂对甲板的冲 击力，使得摇臂安全完成自动翻转复位动作。 依据前面所述缓冲器预反力设计理论，在这里，结合驳船尾部结构情况，同 时考虑到摇臂的纵向安装位置以及摇臂自身的宽度，我们假定安装于船艉左右舷 两侧摇臂的转轴分别位于距船中8 0 0 0 m r a 的左右舷处，缓冲器作用位置也就落在 以下几个位置：尾部甲板结构f r 5 横舱壁位置，距摇臂转轴1 5 0 0 r a m 的两侧； f r 6 横舱壁位置，距摇臂转轴1 0 0 0 m m 的两侧：f r 7 横舱壁位置，距摇臂转轴 1 0 0 0 m m 的两侧，如下图所示。 圈3 4 缓冲器详细布置图 犬津大学硕士学位论文 第三幸实例分析 基于以上假定，只需得到缓冲器作用位置可承受的最大反力值，即可作为缓 冲器的最大预反力值。这就需要建立船体结构的数值仿真模掣! ，对其进行强度 评估，具体过程将在后面部分详述。 3 3 有限元模型的建立 3 31 用于缓冲器作用研究的模型建立 无论是缓冲嚣预反力研究，还是缓冲器作用阶段驳船强度研究都需建立船 体结构的数值仿真模型，但若建立全船模型过于繁琐冈此可以考虑适当对模型 进行简化。 首先，由于此驳船在船尾左右舷两侧对称位置各安装了】个摇臀船体左右 舷两侧结构基本相同，摇臂及缓冲器布置也完全一致，故只需研究一侧摇臂的缓 冲器作用过程即可； 其次，缓冲器作用位置只是在船尾f r 5 、f r 6 、f r 7 位置，摇臂相对于船体 而言较小，摇臂叫转时的冲击力只对撞击部位附近结构有较明显影响，故在建模 时，只需建船尾部分。 基于以上分析，对有限元模型进行简化，简化模型如下圈，该有限元模型建 市在x y z 右手笛卡尔坐标系统下x 轴沿船长方向由船尾指向船首，y 轴沿船 宽方向由右舷指向左舷，z 轴则沿垂向由船底指l 自甲板。 刿3 4 有限元模璋! 天津大学硕士学位论文 第三章实例分析 建模区域 此模型中，船长方向从f r o f r l 0 ，每站长2 5 0 0 m m ，故模型沿船长方向共 长2 5 0 0 0 m m ，坐标原点取在f r 6 处；船宽方向，模型建立的是驳船右舷摇臂附 近，即距船中4 5 0 0 m m 1 5 0 0 0 m m 处，故模型沿船宽方向共长1 0 5 0 0 m m ，坐标原 点取在距船中1 5 0 0 0 m m 处；型深方向，是从船底板到上甲板，总高1 4 2 5 0 m m ，坐 标原点取在船底板处。 模型主要包括：从f r o f r l 0 的十一个横舱壁，在坐标轴y = 3 7 5 0 m m 和 y = 7 5 0 0 m m 处的两道纵舱壁，上甲板，船底板以及一些肘板，扶墙材等。为方便 描述，自此处起，分别将y = 3 7 5 0 m m 和y = 7 5 0 0 m m 处的两道纵舱壁命名为1 号 纵舱壁、2 号纵舱壁。 材料特性 该船采用的船体钢料的物理参数如下： 屈服应力n - - 3 2 5 m p , 杨氏模量e = 2 1 1 0 5 ( n m m 2 ) 泊松比= 0 3 密度p = 7 8 5 1 0 - 9 ( t m m 3 ) 本次研究中，所有单位都保持统一，长度单位：m m ，时间单位：s ，力的单 位：n ，重量单位：t ，其它单位有这些基本单位推算得出。 单元类型 为了准确模拟船尾部分结构，包括甲板，船底板，纵舱壁，横舱壁等在内的 所有构件都采用4 节点的s h e l l 6 3 单元，根据实际板厚赋以实常数。 约束处理与加载 由于摇臂相对于驳船，相对质量较小，故在本次研究中，不考虑船体浮动， 认为摇臂回转撞击甲板过程中，驳船处于静止状态，这种假设较实际情况更为危 险，计算结果也就趋于保守。故施加约束时，只需对船尾各边界约束其线性位移。 3 3 2 用于摇臂直接接触甲板研究的模型建立 上章分析中指出，要解决摇臂直接接触甲板阶段摇臂与船体的接触碰撞问 题，最直接有效的方法就是利用有限元软件a n s y s l s d y n a ，建立摇臂及船 体模型，进行接触分析。有限元分析模型可分成船体、摇臂两个部分来建立。 1 ) 船体模型的建立 船体的有限元建模区域、材料特性、约束处理都与前面用于缓冲器作用研究 建立的模型相同，但需要注意的是，为增强打击强度，在f r 8 横舱壁位置附近 甲板上，加厚了一块长8 5 0 0 m m ，宽5 0 0 m m ，厚4 0 m m 的大垫板，大垫板上又 天津大学硕士学位论文 第三章实例分析 加厚了一块长2 2 0 0 m m ，宽4 0 0 m m ，厚3 8 m m 的小垫板，即小垫板位置比船体 上甲板其它位置( 大垫板位置除外) 高出7 8 m m 。 同时，由于l s d y n a 属于通用显式动力分析软件，所用到的板单元类型必 须是显式薄壳单元，因此，船体结构模型全部采用s h e l l l 6 3 的单元类型。 2 ) 摇臂模型的建立 摇臂与船体铰接示意图如下图所示： 图3 - 6 摇臂与船体铰接示意图 由于接触碰撞分析不能有初始接触，故对摇臂与船体的相对位置稍作调整， 将摇臂转轴位置上移4 0 0 m m ，并将摇臂沿船体上甲板法线方向上移7 9 m m ( 留出 小垫板高度) ，当然，这些调整都是在不改变摇臂重心位置以及质量的前提下进 行的，不会对计算结果造成影响。 在摇臂转轴中心处建立局部坐标系l ，x ，y ，z 方向与整体坐标系一致，整 体坐标系下，转轴中心坐标x o = 一1 3 6 5 6 9 9 m m ，y o = 7 0 0 0 m m ，z o = 9 1 5 2 4 0 1 m m ； 摇臂模型按照实际结构建立即可，由于本文