柔性靠船墩錐形橡膠防護墊在斜向靠泊作用下的受力分析.pdf

1、人們使用船舶作為運輸人員和貨物的方式已經(jīng)有數(shù)千年。雖然近年來空中旅行快速發(fā)展發(fā)展,但船舶運輸仍然是貨運最主要的方式也是全球貿(mào)易的基礎(chǔ)。船舶尺寸不斷增大,船舶、船貨和人員的安全性對新裝備和規(guī)則提出了更高的要求。除水運過程外,最關(guān)鍵的階段之一就是船舶的靠泊。船舶的靠泊是使船舶相對于港口碼頭的靠泊結(jié)構(gòu)緩慢停止。由于許多因素影響船舶的停泊軌跡和速度,以幾乎零速度使船舶與靠泊結(jié)構(gòu)接觸幾乎不可能,即意味著船舶將撞擊靠泊結(jié)構(gòu)并將船舶的動能傳遞給靠泊結(jié)

2、構(gòu)。這樣的撞擊隨時間將多次發(fā)生,可能損害靠泊結(jié)構(gòu)和船舶。目前已有不少方法通過吸收部分撞擊動能來保護船舶和靠泊結(jié)構(gòu)。然而,采用適合于船舶和停泊條件的靠泊結(jié)構(gòu)動能吸收裝置是至關(guān)重要的,否則靠泊結(jié)構(gòu)和船舶仍可能遭受重大損害,從而導(dǎo)致重大經(jīng)濟成本。
　　船舶靠泊過程中動能吸收裝置——防護墊的受力是十分復(fù)雜的,但現(xiàn)有關(guān)于防護墊的相關(guān)研究中大多只考慮船舶平行靠泊的簡化情況,分析設(shè)計方法很少考慮靠泊角度對靠泊過程的影響。本文將通過對船舶靠泊過程

3、中防護墊的受力分析優(yōu)化靠泊結(jié)構(gòu)設(shè)計,重點分析適用于大型船舶和柔性單樁靠船墩的錐形橡膠防護墊。
　　本研究的第一部分研究靠泊過程。為了對船舶靠泊過程進行深入分析,必須區(qū)分不同船舶影響其靠泊過程和靠泊結(jié)構(gòu)設(shè)計選擇的不同特征。學(xué)者和業(yè)界已通過多年研究建立了基本的船舶類型識別和分類方法體系。本文對這些分類方法、不同靠泊模式和常見靠泊結(jié)構(gòu)進行分析。調(diào)研比較表明,大型船舶靠泊結(jié)構(gòu)通常以大型防護墊元件甚至柔性靠船墩為主,以便增大靠泊結(jié)構(gòu)的能量吸

4、收能力;同時確定了船舶尺寸和位移之間的關(guān)系以減少靠泊結(jié)構(gòu)設(shè)計中的計算量。
　　在本文的第二部分中,分析了當(dāng)前可用的防護墊解決方案,包括性能比較方法。對比分析發(fā)現(xiàn)最有效和最易理解的方法是采用額定性能數(shù)據(jù),包括最大能量吸收和反作用力、完整額定負載撓度曲線。大多數(shù)適合于大型船舶的靠泊結(jié)構(gòu)設(shè)計采用橡膠防護墊,并且根據(jù)性能曲線類型主要有兩類防護墊。盡管有不同的橡膠級別,相同設(shè)計的防護墊具有相同性能,且主要與其形狀有關(guān)。鋼管樁單樁靠船墩由于其

5、實用性和低成本也被研究和采用。對用于防護墊和單樁分析的各種數(shù)值模型及其優(yōu)缺點進行比較分析,可以發(fā)現(xiàn)其中僅有少數(shù)充分考慮了不同荷載類型下防護墊的響應(yīng)特征,而大多數(shù)防護墊模型完全基于實驗數(shù)據(jù),且不能在無原型測試條件下預(yù)測新防護墊的設(shè)計響應(yīng)。分析表明,只有有限元模型可滿足本研究的特定要求,并可確定對防護墊選擇和靠泊結(jié)構(gòu)設(shè)計影響最大的參數(shù)。
　　本研究的第三部分將重點放在靠泊結(jié)構(gòu)設(shè)計模型和標(biāo)準(zhǔn)上?，F(xiàn)有各種方法和標(biāo)準(zhǔn)具有一定的一致性,幾乎所

6、有方法和標(biāo)準(zhǔn)都屬于單一設(shè)計法,采用了相同得步驟進行靠泊分析。此類方法的程序包括:根據(jù)船舶類型和靠泊模式確定船舶靠泊過程的能量,然后選擇一種具有充分吸收船舶靠泊能量能力的結(jié)構(gòu)和防護墊系統(tǒng),其中最關(guān)鍵的是滿足該特定情況的安全性要求。采用第二部分中實際靠泊過程和防護墊響應(yīng)行為的數(shù)值分析模型,詳細分析驗證該方法及其假定,并討論其優(yōu)缺點。該方法的主要問題是靠泊角度對防護墊的作用只在計算防護墊可以吸收的最大能量中被考慮,但是如果靠泊結(jié)構(gòu)被很好地設(shè)計

7、,那么防護墊應(yīng)當(dāng)很少會達到其最大能力。此外,現(xiàn)有方法僅考慮平行靠泊,而船舶斜向靠泊(以大于零的角度進行靠泊)的第一撞擊所涉及的能量可能比用該方法所得到的防護墊承載力大得多。
　　本研究的最后一部分采用商業(yè)有限元軟件Ls-Dyna對錐形橡膠防護墊和完整鋼單樁靠船墩進行有限元建模呵分析。錐形橡膠防護墊已經(jīng)被使用超過25年并且在許多尺寸和能力中是可用的,也因其易于組合形成更大的防護墊系統(tǒng)而成為最靈活的防護墊解決方案。利用三種不同橡膠級別

8、的制造商數(shù)據(jù),對錐形防護墊進行建模分析和測試驗證。通過網(wǎng)格和單元公式化的詳盡參數(shù)分析,確定防護墊的最準(zhǔn)確和最有效的數(shù)值模型。結(jié)果示出,如果撓度不超過一定點,增大防護墊壓縮角度導(dǎo)致對于相同能量吸收的較小反作用力?？紤]到船舶在靠泊期間將發(fā)生旋轉(zhuǎn),意味著船舶以更大角度靠泊可能通常是更安全的。因此,對船舶相對于剛性靠泊結(jié)構(gòu)的斜向靠泊進行分析,結(jié)果表明,由防護墊所吸收的能量可能比可以用當(dāng)前靠泊結(jié)構(gòu)設(shè)計方法所計算的高得多。由此提出了一種用以確定所要