近幾十年來，隨著交通事業的蓬勃發展，跨海和通航江河的大型橋梁建造越來越多；與此同時，世界船舶也進一步大型化，隨之而來的船舶撞擊橋梁的事故也日益增多。據不完全統計，在過去幾十年里，僅發生在我國長江、珠江、黑龍江三大水系干線上的船撞橋事故就達300起以上。在這些事故中，盡管船撞橋后大型橋梁坍塌的事故所占幾率非常小，但是，船撞橋事故的后果仍然是怵目驚心的。因此，近年來船橋碰撞機理特別是橋墩防撞裝置的研究也得到越來越多的關注。
鋼質橋墩防撞裝置作為一種較好的防撞設施現廣泛應用于橋梁防撞設計。船舶與橋墩防撞裝置的碰撞是兩者在很短的時間內相互作用的一種復雜的非線性動態響應過程。碰撞過程中的不確定因素頗多，幾乎不可能通過建立一個精確的數學模型而使兩者的碰撞問題得到完全的解析。因此，隨著非線性有限元技術的日益完善和計算機硬件水平的不斷提高，碰撞的數值仿真方法越來越成為解決船橋碰撞相關問題的有效途徑。本文采用ANSYS/LS-DYNA模擬一艘5000噸級貨船與天興洲斜拉橋某橋墩鋼質防撞裝置發生碰撞的過程，計算分析碰撞中防撞裝置各構件的吸能規律，并依據計算結果給出合理的結構改進方案。
1有限元模型
1.1防撞裝置和船舶有限元模型
本文主要研究對象防撞裝置的有限元模型基本上按照實際結構形式和尺寸建立，僅把結構中的極小構件（如小肘板、尖角過渡等）進行了適當的等效處理，以免網格劃分時出現極小尺寸單元，導致積分步長減小，影響整個仿真分析的計算效率，其有限元模型如圖1。
對碰撞區船首結構，按照船舶實際構件的布置和尺度，計算模型作了比較詳細的描述，其中包括外板、各層甲板、橫艙壁等主要板材及主要縱桁材。船體中后部因遠離碰撞區，采用二維模型，全船質量分布于船身及船首的各單元上，重心位于中縱剖面上。模擬船體的各幾何特性，如：質心、重心和慣性矩均與實船一致。附連水采用附加質量模型，采用一個總附連水質量系數0.04來計入周圍流體的作用。
1.2材料模型和失效準則
本文研究對象的材料全部使用船用低碳鋼Q235，受撞區域的防撞裝置和船頭變形破壞較大，材料采用考慮與應變率相關和損傷的雙線性等向強化本構模型Cowper-Symonds模型，網格劃分時單元尺寸控制在50mm以上，材料模型中各個參數選取如下：初始屈服應力σ0取為2.35×108N/m2；彈性模量E取為2.06×1011N/m2；硬化模量EP取為1.18×109N/m2；密度ρ取為7850kg/m3；泊松比μ取為0.3；對于普通船用鋼而言，C=40.4，p=5；材料的最大塑性失效應變取為0.34。
模型建立過程中，板材選用ANSYS/LS-DY－NA材料庫中的SHELL163單元，骨材選用BEAM161單元，防撞裝置單元數量10074個，船體6089個。
1.3接觸的定義和摩擦力的影響
本文計算中接觸采用的是單面接觸和面面接觸。防撞裝置、船體自身構件之間的接觸定義為單面接觸，船首與防撞裝置發生碰撞的地方則是面面接觸，程序將搜索模型中的所有外表面，檢查是否相互發生穿透。
本文研究對象之間的摩擦問題屬于鋼與鋼之間的摩擦?？紤]到摩擦能量的損失并不大，本文的算例中對摩擦計算采取簡化處理，設靜動摩擦系數均等于0.1，且不隨壓力變化。
2 碰撞計算
根據當地水文條件，本文碰撞船只船速取為3m/s，碰撞工況取橫橋正碰，碰撞計算時間為3s。能量轉化、防撞裝置受撞后結構損傷分別見 圖2，圖3。
從圖2可見，總能量基本守恒，同時沙漏能得到有效控制，因此結果是有效的。系統總能量為3.84×107J，而防撞裝置吸收的能量為3.33×107J。碰撞持續時間約1.5s，1.5s以后系統能量轉換趨于穩定。
由圖3可以看出，碰撞變形有很強的局部性，結構的變形只限于受撞區域范圍內，而遠離碰撞區域的結構則仍然保持受撞之前的狀態。
計算中防護裝置的約束反力即為橋墩受到的碰撞力，由于單點約束的各個節點的約束反力會隨著時間變化，為明確每一時刻橋墩所受到的總作用力，將每個時刻約束節點的節點反力相加，圖4即為橋墩受到的總作用力隨時間變化曲線。由圖4可知，橋墩受到的碰撞力存在兩個峰值，大致在0.7s出現第1個，約18MN；約1.3s時出現全局最大值，為23.71MN。
表1是防撞裝置結構各個構件吸收能量所占總能量的比例情況，從表中可以很清楚地看出防撞裝置能量吸收規律。
船舶與防撞裝置發生碰撞時，船的總動能除了船舶的剩余動能、沙漏能和接觸摩擦能所占的一小部分以外，其余都轉化為船[7]和防撞裝置的塑性變形能。由表1知，板材是防撞結構中主要的吸能構件，特別是防撞裝置的外圍壁板和艙壁板，吸能值分別占到總能量的23.4%和15.4%；此外，受撞區的水平加強筋也是主要的吸能構件，如表1中外圍板水平桁和艙壁板水平桁，吸能值分別占總能量的7.01%和10.4%。
3 結構改進
由以上計算結果可知，防撞裝置與船舶直接接觸的外圍壁板是吸收能量最大的結構構件，因此為了進一步提高防撞裝置的防撞性能，可以在外圍壁板的外層再加1層鋼板，兩層外板之間用橡膠護舷緩沖元件連接，最底部用工字鋼相連，主體結構的外圍壁板上的水平桁再加2層，起一定的支撐加強作用。有限元模型見圖5。
最外層鋼板首尾部每隔一定長度就斷開，側部保持連續，這樣船只撞上來時只會影響到最外層鋼板中的某一部分，不會牽一發而動全身，使得其整體發生破壞。計算時船速仍保持3m/s，碰撞工況仍是橫橋正碰，改進后結構受撞損傷和橋墩所受碰撞力見圖6，圖7。
對比圖3和圖6可以看出，改進后的防撞裝置結構在碰撞過程中受到的損傷比改進前要小，增加的外圍壁板由于在首部斷開，其受到的損傷只限于首部受撞板材，而與其鄰近和遠離受撞部位的板材受到的損傷很小，這也就給后續維修帶來方便，此外，圖3中首部靠近橋墩的防撞裝置內部支撐工字鋼已經向下凹陷變形，而圖6中對應構件則基本保持受撞前狀態。圖7是橋墩受到的船撞力曲線，比較圖4和圖7可以很明顯地看到圖7中船撞力曲線有一個較平緩的峰值階段，大約在0.7～1.6s之間，最大值為22MN，小于圖6中的最大值。
由表2知，附加結構即最外圍外掛壁板、外層緩沖元件、外層支撐工字鋼吸能占總能量的11.72%，因此除去附加結構，防撞裝置主體結構的變形能只占到總能量的70.18%。比較表1知，防撞裝置結構總的變形能占總能量的86.881%，這也表明結構塑性變形較改進前小，結構受到的損傷較小，改進后結構在一定程度上保護了防撞裝置本身，但改進后結構并沒有影響防撞裝置的防撞性能，其仍然具有良好的防撞功效。
4結論
1）在船與防撞裝置碰撞過程中，碰撞能量主 要被防撞裝置以變形能的形式吸收，特別是碰撞區的外圍壁鋼板吸收絕大部分能量。
2）防撞裝置各個構件的能量吸收情況中，外圍壁板吸收的能量最大，其次是艙壁板；而骨材中外圍壁板上的水平桁吸能最多，因此通過調整板厚和骨材的布置可以改善防撞裝置的防撞性能。
3）碰撞中防撞裝置的變形有很明顯的局部性，結構不會在碰撞中整體崩潰，合理地改進防撞裝置的結構形式，在達到防撞目的的同時，也可以保護防撞裝置本身。
