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一种螺纹式码头橡胶护舷概念设计及碰撞响应分析
Edit: 江苏安锦橡胶有限公司Date: 2019-07-08

码头橡胶护舷用以缓冲船舶靠岸时的冲击载荷,因此需要较强的抗冲击性。本文提出一种螺纹式码头护舷,并从应力分布、吸能比等方面对其进行碰撞响应分析,结果充分体现螺纹式橡胶护舷的合理性和优越性。

引言

码头护舷作为保护岸壁免受船舶冲击损坏的吸能装置,其抗冲击性能直接决定着码头结构及航运人员的安全。随着船舶吨位的不断增加,护舷设计和优化也越来越受到各国专家学者的重视。Wilson、Yazdani 等 [1] 对护舷进行了静态有限元分析,并对其抗冲击性的改进提出建议;J hua、GC Mi [2]提出一种新型桥墩护舷系统,大大提高了护舷能量吸收的能力,为护舷优化提供了宝贵的经验;张建、唐文献 [3] 采用OGDEN 三阶模型对橡胶护舷进行有限元分析,并证明了护舷吸能及压缩量的相关性;郑静、闻利强 [4] 根据靠船桩与护舷的吸能效果,计算船舶的撞击力,对护舷、靠船桩结构提出了优化建议;刘硕、杨树耕等 [5] 在实验的基础上对实心球形橡胶护舷进行模拟,提出一种研究其减震性能的非线性动态分析方法。

本文提出一种螺纹式码头护舷,并利用 ANSYS/LS-DYNA 模拟分析护舷在船舶靠泊时的碰撞响应结果,在码头护舷的结构设计等方面具有一定工程应用价值。

一、船体靠泊时护舷结构吸能方程船舶靠泊对护舷的撞击能表达式为:

二、试验模型

本文提出的螺纹式码头护舷,主要是对传统护舷的橡胶结构表面进行螺纹化处理,护舷可简化为防冲板、橡胶结构

以及护舷底座三个部分。螺纹式橡胶结构如图 1 所示。护舷主尺度如表 1 所示。


山东十一运夺金三、碰撞试验仿真及结果分析

本文基于 ANSYS/LS-DYNA 对护舷受船体靠泊碰撞进行模拟。防冲板采用 Isotropic Linear Elastic Material 材料壳单元;橡胶模型选用非线性弹性材料 Blatz-KO Rubber体单元;

山东十一运夺金圆柱形底座为 Isotropic Linear Elastic Material体单元。在对单个护舷进行研究时,选取直接与此护舷作用的部分船体作为撞击体。由于本文主要研究护舷的受撞击响应,不考虑船体自身的变形,故将撞击体作为刚体处理,撞击体

的动能由点的质量及设定的初始速度来控制。

1.等效应力分布

本文选取的船体靠泊速度均为法向靠泊速度,根据《港口工程载荷规范》JTS144-1-2010,海船的法向靠泊速度应控制在 0。08~0。45m/s。为研究护舷受船体碰撞时的应力分布并检验模型是否满足强度要求,本试验取规定的最大法向靠泊速度 0。45m/s 为船的初始靠泊速度,对螺纹式码头护舷进行碰撞试验模拟。碰撞初始时刻 1。8s 时的护舷应力云图如图 2 所示。

由图中可以看出,在碰撞发生的初始时刻最大应力集中于前几层螺纹中段曲率较大位置。相比于普通护舷可以更好地利用螺纹结构分散集中应力,因此从防护安全的角度看,螺纹式护舷在一定程度上有效减小船舶靠泊时对护舷的损伤,提高结构强度。另外,由等效应力图可知,此护舷的橡胶结构最大应力值达到 0.96MPa,小于一般橡胶 2-6MPa 的强度极限,满足规范要求,即便在最大靠泊力时亦不会失效。

2.吸能缓冲特性

船舶靠泊码头时,船体、护舷以及码头的整个系统的能量在不断转化。靠泊时,船体动能逐渐转化为护舷的动能以及弹性势能以达到能量吸收和缓冲作用。本试验分别选取 0.08、0.2、0.35 和 0.45m/s 作为初始靠泊速度对螺纹式护舷进行碰撞响应分析,得到护舷吸能情况如表 2 所示。其中吸能比作为护舷吸能与撞击能的比值,数值越大表示吸能效果越好。

从表 2 可以明显看出,螺纹式码头护舷的吸能比随着靠泊速度的增加而增大,在速度达到 0。45m/s 时产生最大吸能比 97。03%,相比于普通橡胶护舷 95%~96%的吸能比具有明显的优势。根据护舷吸能情况计算并绘制吸能比

rE 与法向靠泊速度nv 的关系曲线图,如图 3 所示。

山东十一运夺金由图 3 可以看出,随着法向靠泊速度增加护舷吸能比增加的越来越缓慢,这是由于橡胶材料在高撞击能的作用下达到了弹性极限造成的。而由试验看出螺纹式码头护舷具有较强的形变吸能能力,吸能比在达到橡胶弹性极限后依然呈缓慢上升趋势。因此螺纹式码头护舷在一定程度上突破了由于弹性极限产生的吸能能力的限制,使之能够承受更大靠泊速度引起的撞击载荷,对码头及船体的保护能力更强。

四、结论

本文提出一种螺纹式码头护舷结构形式,并对其碰撞响应进行模拟分析,所得结论如下:

(1)螺纹式码头护舷的橡胶结构在船舶以最大靠泊速度撞击时,最大应力值小于 2MPa,仍能满足强度极限要求,设计符合规范。

山东十一运夺金(2)螺纹式码头护舷可以利用其特殊的螺纹结构分散碰撞初始时刻产生的高集中应力,提高了结构强度。

(3)随着靠泊力增加,护舷的吸能比虽然增加缓慢,但一直呈上升趋势,吸能缓冲能力更强,最大吸能比达到

97.03%。


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