船舶與橋墩撞擊力-撞深關(guān)系概率模型
發(fā)布時(shí)間：2019-11-09 09:48
【摘要】：為考慮船橋碰撞過程中荷載的隨機(jī)性,進(jìn)行了輪船撞擊剛性墻的模擬計(jì)算�？紤]到船舶結(jié)構(gòu)的多樣性,建立了9艘不同噸位和尺寸輪船的有限元模型,并以9種不同的速度撞擊剛性墻,得到了81條船撞擊力-撞深過程樣本曲線。將樣本曲線量綱一化,并采用21個(gè)離散點(diǎn)近似表示每條量綱一化曲線,在各離散點(diǎn)處對(duì)量綱一化撞擊力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。通過對(duì)概率密度函數(shù)進(jìn)行限界修正,建立了撞擊力-撞深過程的概率統(tǒng)計(jì)模型,最后在統(tǒng)計(jì)意義上對(duì)概率模型的參數(shù)取值進(jìn)行了討論。研究結(jié)果表明:在各撞深處的量綱一化撞擊力近似服從正態(tài)分布;限界修正方法消除了隨機(jī)變量在數(shù)學(xué)意義與物理意義上的矛盾,提高了模型的適用性;所建立的概率模型在統(tǒng)計(jì)意義上與數(shù)值模擬獲得的樣本吻合良好。
【圖文】：
撞擊速度均會(huì)對(duì)碰撞計(jì)算結(jié)果造成很大的影響。根據(jù)已有的事故調(diào)查資料［１，１９］，船首撞擊事故在所有船撞橋事故中占有較大比例。此外，Ｓａｕｌ等［２０］的研究表明，在船首正撞的情況下，船體的動(dòng)能會(huì)最大程度地轉(zhuǎn)化為船首結(jié)構(gòu)的內(nèi)能。從橋梁工程結(jié)構(gòu)船撞設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，將被撞的橋梁構(gòu)建處理為剛性墻面，會(huì)得到船舶撞擊力的一個(gè)偏于保守的估計(jì)，因此船首正面撞擊剛性墻的研究結(jié)果被許多設(shè)計(jì)規(guī)范［１－２］所采用。本文中采用了這種簡(jiǎn)化的處理方式，數(shù)值模擬計(jì)算的力學(xué)模型見圖１。圖１船舶船首正撞剛性墻示意Ｆｉｇ．１ＳｈｉｐＢｏｗ－ｒｉｇｉｄＷａｌｌＨｅａｄ－ｏｎＣｏｌｌｉｓｉｏｎＭｏｄｅｌ在接觸問題的分析中［５］，網(wǎng)格劃分細(xì)密，同時(shí)單元形狀良好，有利于提高計(jì)算精度。對(duì)于船舶正撞剛性墻過程，船首結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)屈曲、壓潰等破壞現(xiàn)象，因此要得到一個(gè)真實(shí)的撞擊過程，必須準(zhǔn)確地模擬船首的形狀和構(gòu)造。因此在船舶建模時(shí)對(duì)參與接觸的船首部分作了比較精細(xì)的模擬，遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的部分網(wǎng)格劃分相對(duì)較粗，并以剛體代替。在船首建模中鋼材采用線性隨動(dòng)強(qiáng)化彈塑性本構(gòu)關(guān)系，另外船舶的碰撞過程為瞬態(tài)過程［５］，碰撞中鋼材的應(yīng)變率很大，所以應(yīng)在分析中考慮材料應(yīng)變率的影響。鋼材應(yīng)變率敏感性的本構(gòu)方程很多，其中Ｃｏｗｐｅｒ－Ｓｙｍｏｎｄｓ本構(gòu)方程［２１］與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，使用最為廣泛，本文中使用Ｃｏｗｐｅｒ－Ｓｙｍｏｎｄｓ方程考慮應(yīng)變率效應(yīng)時(shí)，線性隨動(dòng)強(qiáng)化彈塑性本構(gòu)方程［２２］的屈服函數(shù)φ、屈服強(qiáng)度σｙ和屈服中心αｉｊ分別為φ＝１２ξｉｊξｉｊ－σ２ｙ３＝０σｙ＝［１＋
圖２各噸位船舶船首結(jié)構(gòu)Ｆｉｇ．２ＢｏｗＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｏｆＤｉｆｆｅｒｅｎｔＳｈｉｐｓ圖３船首有限元模型Ｆｉｇ．３ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｏｄｅｌｓｏｆＳｈｉｐＢｏｗｓ布，檢驗(yàn)結(jié)果如圖７所示。根據(jù)均值與方差的無(wú)偏估計(jì)［２３］，ｚｋ處隨機(jī)變量β（ｚｋ）的均值和標(biāo)準(zhǔn)差的值見圖８。由于正態(tài)分布的定義區(qū)間為（－∞，＋∞），，船撞剛性墻時(shí)實(shí)際撞擊力不可能趨于無(wú)窮大，也不可能取負(fù)值，對(duì)應(yīng)的量綱一化撞擊力同樣如此，因此應(yīng)對(duì)該量綱一化撞擊力的取值范圍進(jìn)行修正。本文中使用了二次拋物線函數(shù)對(duì)正態(tài)分布概率密度函數(shù)進(jìn)行修正，將ｚｋ處的量綱一化撞擊力最大值βｍａｘ（ｚｋ）和最小值βｍｉｎ（ｚｋ）作為β（ｚｋ）的定義區(qū)間［ｘ１，ｘ２］，同時(shí)滿足∫ｘ２ｘ１s冢媯ǎ洌劍保ǎ擔(dān)┢渲衧冢媯ǎ┪拚母怕拭芏群�，茲湾氜I猻冢媯ǎ劍媯保ǎ媯ǎ薄埽跡埃媯玻ǎ媯ǎ啊埽埽鴓舙膒疲玻媯保ǎ劍穡恚幔媯ǎ埃郟保ǎ埃玻ǎ保埃玻藎穡保媯ǎ保ǎ埃玻ǎ保埃玻薄埽跡埃媯玻ǎ劍穡恚幔媯ǎ埃郟保ǎ埃玻ǎ玻埃玻藎穡玻媯ǎ玻ǎ埃玻ǎ玻埃玻啊埽埽鴓蚿蘰
本文編號(hào)：2558385
【圖文】：
撞擊速度均會(huì)對(duì)碰撞計(jì)算結(jié)果造成很大的影響。根據(jù)已有的事故調(diào)查資料［１，１９］，船首撞擊事故在所有船撞橋事故中占有較大比例。此外，Ｓａｕｌ等［２０］的研究表明，在船首正撞的情況下，船體的動(dòng)能會(huì)最大程度地轉(zhuǎn)化為船首結(jié)構(gòu)的內(nèi)能。從橋梁工程結(jié)構(gòu)船撞設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，將被撞的橋梁構(gòu)建處理為剛性墻面，會(huì)得到船舶撞擊力的一個(gè)偏于保守的估計(jì)，因此船首正面撞擊剛性墻的研究結(jié)果被許多設(shè)計(jì)規(guī)范［１－２］所采用。本文中采用了這種簡(jiǎn)化的處理方式，數(shù)值模擬計(jì)算的力學(xué)模型見圖１。圖１船舶船首正撞剛性墻示意Ｆｉｇ．１ＳｈｉｐＢｏｗ－ｒｉｇｉｄＷａｌｌＨｅａｄ－ｏｎＣｏｌｌｉｓｉｏｎＭｏｄｅｌ在接觸問題的分析中［５］，網(wǎng)格劃分細(xì)密，同時(shí)單元形狀良好，有利于提高計(jì)算精度。對(duì)于船舶正撞剛性墻過程，船首結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)屈曲、壓潰等破壞現(xiàn)象，因此要得到一個(gè)真實(shí)的撞擊過程，必須準(zhǔn)確地模擬船首的形狀和構(gòu)造。因此在船舶建模時(shí)對(duì)參與接觸的船首部分作了比較精細(xì)的模擬，遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的部分網(wǎng)格劃分相對(duì)較粗，并以剛體代替。在船首建模中鋼材采用線性隨動(dòng)強(qiáng)化彈塑性本構(gòu)關(guān)系，另外船舶的碰撞過程為瞬態(tài)過程［５］，碰撞中鋼材的應(yīng)變率很大，所以應(yīng)在分析中考慮材料應(yīng)變率的影響。鋼材應(yīng)變率敏感性的本構(gòu)方程很多，其中Ｃｏｗｐｅｒ－Ｓｙｍｏｎｄｓ本構(gòu)方程［２１］與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，使用最為廣泛，本文中使用Ｃｏｗｐｅｒ－Ｓｙｍｏｎｄｓ方程考慮應(yīng)變率效應(yīng)時(shí)，線性隨動(dòng)強(qiáng)化彈塑性本構(gòu)方程［２２］的屈服函數(shù)φ、屈服強(qiáng)度σｙ和屈服中心αｉｊ分別為φ＝１２ξｉｊξｉｊ－σ２ｙ３＝０σｙ＝［１＋
圖２各噸位船舶船首結(jié)構(gòu)Ｆｉｇ．２ＢｏｗＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｏｆＤｉｆｆｅｒｅｎｔＳｈｉｐｓ圖３船首有限元模型Ｆｉｇ．３ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｏｄｅｌｓｏｆＳｈｉｐＢｏｗｓ布，檢驗(yàn)結(jié)果如圖７所示。根據(jù)均值與方差的無(wú)偏估計(jì)［２３］，ｚｋ處隨機(jī)變量β（ｚｋ）的均值和標(biāo)準(zhǔn)差的值見圖８。由于正態(tài)分布的定義區(qū)間為（－∞，＋∞），，船撞剛性墻時(shí)實(shí)際撞擊力不可能趨于無(wú)窮大，也不可能取負(fù)值，對(duì)應(yīng)的量綱一化撞擊力同樣如此，因此應(yīng)對(duì)該量綱一化撞擊力的取值范圍進(jìn)行修正。本文中使用了二次拋物線函數(shù)對(duì)正態(tài)分布概率密度函數(shù)進(jìn)行修正，將ｚｋ處的量綱一化撞擊力最大值βｍａｘ（ｚｋ）和最小值βｍｉｎ（ｚｋ）作為β（ｚｋ）的定義區(qū)間［ｘ１，ｘ２］，同時(shí)滿足∫ｘ２ｘ１s冢媯ǎ洌劍保ǎ擔(dān)┢渲衧冢媯ǎ┪拚母怕拭芏群�，茲湾氜I猻冢媯ǎ劍媯保ǎ媯ǎ薄埽跡埃媯玻ǎ媯ǎ啊埽埽鴓舙膒疲玻媯保ǎ劍穡恚幔媯ǎ埃郟保ǎ埃玻ǎ保埃玻藎穡保媯ǎ保ǎ埃玻ǎ保埃玻薄埽跡埃媯玻ǎ劍穡恚幔媯ǎ埃郟保ǎ埃玻ǎ玻埃玻藎穡玻媯ǎ玻ǎ埃玻ǎ玻埃玻啊埽埽鴓蚿蘰
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