柔性靠船墩錐形橡膠防護(hù)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(yùn)輸人員和貨物的方式已經(jīng)有數(shù)千年。雖然近年來(lái)空中旅行快速發(fā)展發(fā)展,但船舶運(yùn)輸仍然是貨運(yùn)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(duì)新裝備和規(guī)則提出了更高的要求。除水運(yùn)過(guò)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(duì)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(dòng)能傳遞給靠泊結(jié)

2、構(gòu)。這樣的撞擊隨時(shí)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(guò)吸收部分撞擊動(dòng)能來(lái)保護(hù)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(dòng)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(jì)成本。
　　船舶靠泊過(guò)程中動(dòng)能吸收裝置——防護(hù)墊的受力是十分復(fù)雜的,但現(xiàn)有關(guān)于防護(hù)墊的相關(guān)研究中大多只考慮船舶平行靠泊的簡(jiǎn)化情況,分析設(shè)計(jì)方法很少考慮靠泊角度對(duì)靠泊過(guò)程的影響。本文將通過(guò)對(duì)船舶靠泊過(guò)程

3、中防護(hù)墊的受力分析優(yōu)化靠泊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),重點(diǎn)分析適用于大型船舶和柔性單樁靠船墩的錐形橡膠防護(hù)墊。
　　本研究的第一部分研究靠泊過(guò)程。為了對(duì)船舶靠泊過(guò)程進(jìn)行深入分析,必須區(qū)分不同船舶影響其靠泊過(guò)程和靠泊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇的不同特征。學(xué)者和業(yè)界已通過(guò)多年研究建立了基本的船舶類型識(shí)別和分類方法體系。本文對(duì)這些分類方法、不同靠泊模式和常見靠泊結(jié)構(gòu)進(jìn)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(hù)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(shí)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(jì)中的計(jì)算量。
　　在本文的第二部分中,分析了當(dāng)前可用的防護(hù)墊解決方案,包括性能比較方法。對(duì)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(fù)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(jì)采用橡膠防護(hù)墊,并且根據(jù)性能曲線類型主要有兩類防護(hù)墊。盡管有不同的橡膠級(jí)別,相同設(shè)計(jì)的防護(hù)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(shí)用性和低成本也被研究和采用。對(duì)用于防護(hù)墊和單樁分析的各種數(shù)值模型及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)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(hù)墊的響應(yīng)特征,而大多數(shù)防護(hù)墊模型完全基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),且不能在無(wú)原型測(cè)試條件下預(yù)測(cè)新防護(hù)墊的設(shè)計(jì)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(duì)防護(hù)墊選擇和靠泊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響最大的參數(shù)。
　　本研究的第三部分將重點(diǎn)放在靠泊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)法,采用了相同得步驟進(jìn)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(guò)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(hù)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(shí)際靠泊過(guò)程和防護(hù)墊響應(yīng)行為的數(shù)值分析模型,詳細(xì)分析驗(yàn)證該方法及其假定,并討論其優(yōu)缺點(diǎn)。該方法的主要問(wèn)題是靠泊角度對(duì)防護(hù)墊的作用只在計(jì)算防護(hù)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(jì)

7、,那么防護(hù)墊應(yīng)當(dāng)很少會(huì)達(dá)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(jìn)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(hù)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(duì)錐形橡膠防護(hù)墊和完整鋼單樁靠船墩進(jìn)行有限元建模呵分析。錐形橡膠防護(hù)墊已經(jīng)被使用超過(guò)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(hù)墊系統(tǒng)而成為最靈活的防護(hù)墊解決方案。利用三種不同橡膠級(jí)別

8、的制造商數(shù)據(jù),對(duì)錐形防護(hù)墊進(jìn)行建模分析和測(cè)試驗(yàn)證。通過(guò)網(wǎng)格和單元公式化的詳盡參數(shù)分析,確定防護(hù)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(guò)一定點(diǎn),增大防護(hù)墊壓縮角度導(dǎo)致對(duì)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(duì)船舶相對(duì)于剛性靠泊結(jié)構(gòu)的斜向靠泊進(jìn)行分析,結(jié)果表明,由防護(hù)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(jì)方法所計(jì)算的高得多。由此提出了一種用以確定所要