考虑流固耦合效应的通航渡槽船撞响应研究

作     者：胡勇 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王多银

授予年度：2024年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：通航渡槽 ABAQUS 弹簧-质量模型 Python 动力响应 

摘      要：随着以“四纵四横两网为骨架的国家高等级航道网规划的提出,我国的航道建设迎来了新的发展机遇。在其规划中,存在着众多的山区河流,这些河流需要克服高坝渠化中高水位差的障碍,从而实现通航的目的。为了适应高坝通航的要求,诸如通航渡槽的应用也变得越来越广泛,其正常运营是我国经济可持续发展的重要保障。而船舶在进出渡槽和在渡槽航行期间,由于驾驶员操作或者其他一些不可避免的因素,船舶与渡槽侧壁发生“剐蹭事故时有发生。同时,随着我国水运事业的快速发展,货运量、船舶运载量及吨位也逐渐增大,通航渡槽结构受到船舶撞击的概率也越来越大。因此,本文将以乌江彭水电站新建二线船闸为依托,针对该二线船闸工程中的千吨级通航渡槽结构工程,对通航渡槽结构在船舶撞击作用下的动力响应特征进行研究,为通航渡槽的合理设计提供支撑。本文的具体工作如下: (1)利用ABAQUS有限元软件建立了1000(2级的长江三峡标准散货船模型以及通航渡槽模型,并对其网格的划分精度进行了讨论。同时,本文进行了船舶撞击刚性墙的数值仿真计算,结果表明:船舶的最大撞击力与平均撞击力的比值介于1.6-1.94之间,这与部分学者得出的最大撞击力数值大概是平均撞击力数值的两倍的结论较为接近。同时,其三种等效静力荷载除在最低速度0.5 m/s下的误差超过20%外,其余工况下的误差则均控制在20%以内,本文所建立的船舶模型精度满足后续计算的要求。 (2)采用自编的Python程序实现了等效的弹簧-质量模型在渡槽槽内的批量施加,随后,对渡槽结构在EI-Centro地震波下的动力响应进行了计算,并与采用CEL方法的计算结果进行对比发现:其应力值偏差满足本文精度要求,通过采用自编的Python程序生成的弹簧-质量模型无误且其在精度上与CEL方法接近。同时,本文通过对渡槽结构在考虑有水和无水条件下的自振特性和动力响应进行分析发现:考虑有水条件下渡槽结构的自振频率小于无水条件,并且,其随着水深的增大而减小。而渡槽结构在受到横向冲击荷载时,对于考虑有水和无水条件下,作用在其结构上的应力响应和位移响应也有所不同。因此,本文拟采用等效的弹簧-质量模型用于模拟后续计算中渡槽槽内的动水压力。 (3)设计了横向冲击荷载下渡槽结构动力响应的试验研究,并与有限元计算结果进行比较。可以发现:各个工况下不同测点处的动力响应值在试验结果与有限元结果中的变化趋势基本一致,其误差值满足本文所需的精度要求,从而验证了本文所采用的建模方法以及各项输入参数的正确性。 (4)研究了72种工况下作用于渡槽结构上的动力响应。可以发现:所涉及的船舶撞击工况绝大部分为非弹性碰撞,其碰撞曲线可大致分为弹性阶段、屈服强化阶段、屈服失稳阶段、塑性变形阶段以及卸载阶段等五部分。并且,其撞击力峰值与船舶的撞击速度,碰撞角度(45°)成正比,其中,针对不同速度下的等效撞击力,本文采用直线方程对其进行拟合,并与国内外现行主流的规范公式进行了比较发现,其拟合的结果更接近于JTG和铁路规范公式。而其撞击力峰值则与中心截面的距离成反比,同样,该值也随着槽内水深的增加而略有减小。同时,本文分别对55m和16m两种不同槽内净宽设计方案下的通航渡槽结构进行了研究,可以发现:由于不同设计方案下其结构刚度的不同,方案一下作用于渡槽结构上的撞击力峰值大于方案四。 (5)分析了通航渡槽结构上的等效应力和位移响应分布特性。可以发现:作用于渡槽结构上的等效应力分布和位移响应范围均随着船舶撞击的持续而逐渐扩大并向四周传递,其中,等效应力分布以三角形和梯形为主,而位移分布则呈现出以撞击点为中心的同心圆,并且,该同心圆上各个圆环的曲率与离撞击点的距离成反比。同时,随着船舶撞击速度和碰撞角度的增加(45°),位于同一响应区间内的等效应力和位移分布范围以及其响应极值均有所增大。而在不同的撞击位置下,渡槽结构在同一响应区间内的等效应力分布和位移范围以及其动力响应极值则随着与渡槽中心截面距离的增大而减小。