曹士政 蔡建國(guó) 張曉輝

摘 要：本文結(jié)合合裕線裕溪一線船閘擴(kuò)容改造工程大型三角閘門設(shè)計(jì)，對(duì)船閘三角閘門的剛性防撞體系進(jìn)行了有限元建模。針對(duì)2000t的船舶正常通過(guò)船閘時(shí)出現(xiàn)的最不利工況，開(kāi)展了剛性防撞體系的船舶撞擊動(dòng)力分析。研究表明，剛性防撞體系可以對(duì)三角閘門主體結(jié)構(gòu)起到有效地保護(hù)作用，但剛性防撞體系由于消能作用差，在撞擊過(guò)程中防撞面板和防撞桿件會(huì)出現(xiàn)塑性損傷，需要在最不利工況時(shí)對(duì)防撞體系進(jìn)行維護(hù)。

關(guān)鍵詞：三角閘門;剛性防撞體系;撞擊;防撞面板

近年來(lái)，三角閘門已成為最常用的工作閘門型式。船舶在經(jīng)過(guò)閘室時(shí)，存在與閘門發(fā)生碰撞的概率，造成閘門損壞，給航道的正常通行帶來(lái)隱患。為了避免船閘閘門發(fā)生損壞，在三角閘門的迎水面會(huì)設(shè)置防撞系統(tǒng)。目前工程中使用最多的船閘閘門防撞結(jié)構(gòu)為剛性防撞結(jié)構(gòu)，所謂的剛性防撞結(jié)構(gòu)指防撞面板和面板的支撐桿系都是由鋼質(zhì)材料組成。在閘門剛性防撞系統(tǒng)方面，相關(guān)學(xué)者做了一定的研究。遲朝娜[1]對(duì)諫壁船閘分析表明，無(wú)論是直線形防撞板還是折線形防撞板，均能起到減緩閘門主體構(gòu)件受撞擊作用的效果;沈波[2]根據(jù)淮安三線船閘人字閘門的工作特點(diǎn)建立有限元模型，分析了不同水位下人字閘門的自振特性和在不同撞擊位置、不同撞擊方向、不同水深條件下的振動(dòng)規(guī)律;張志寧[3]等基于ABAQUS的顯示動(dòng)力分析對(duì)三角閘門的剛性防撞體系從撞擊角度、船舶噸位以及撞擊位置進(jìn)行分析，研究閘門在撞擊過(guò)程中的響應(yīng)。有關(guān)船閘閘門剛性防撞的研究相對(duì)較少，但除閘門外，相關(guān)專家還研究了其他的剛性防撞體系。吳瓊[4]等以贛江某跨橋梁為研究對(duì)象，利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行船橋碰撞建模分析，研究船舶以不同的速度及質(zhì)量撞擊橋墩的動(dòng)態(tài)響應(yīng);王新[5]等采用實(shí)船撞擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了向家壩升船機(jī)船廂防撞裝置的可靠性;Liu Jiancheng[6]設(shè)計(jì)了一艘4萬(wàn)噸級(jí)油輪在長(zhǎng)江上與船相撞的仿真方案，研究表明有限元方法比經(jīng)驗(yàn)公式和簡(jiǎn)化分析方法能得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。由此可知，盡管規(guī)范公式可以快速計(jì)算撞擊的響應(yīng)，但是在對(duì)復(fù)雜的模型進(jìn)行分析時(shí)，有必要使用有限元方法來(lái)研究撞擊響應(yīng)。

本研究以裕溪一線船閘擴(kuò)容改造工程中34m口門大型三角閘門為研究對(duì)象，針對(duì)剛性防撞體系進(jìn)行研究，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS分析剛性防撞體系撞擊時(shí)的特點(diǎn)，研究其在閘門防護(hù)中的適用性、安全性等特點(diǎn)。

1 剛性防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剛性防撞結(jié)構(gòu)包括防撞桿件以及防撞剛性面板，其和三角閘門主體結(jié)構(gòu)共同組成剛性防撞體系，如圖1所示，材料均為Q345鋼質(zhì)材料。防撞桿件包括豎梁、橫梁、支撐、加勁肋和中片。本文以裕溪一線船閘擴(kuò)容改造工程中34m口門三角閘門為研究對(duì)象，其中設(shè)計(jì)通過(guò)的最大船型為2000噸級(jí)，滿載為2800t，長(zhǎng)度為55m，寬度為10.8m，對(duì)三角閘門剛性防撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。防撞面板的厚度為12mm，防撞桿件的具體尺寸如表1所示。

2 有限元建模

在有限元軟件ABAQUS中對(duì)三角閘門、剛性防撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。閘門主體結(jié)構(gòu)中，端柱承受閘門自重并將網(wǎng)架傳來(lái)的水壓力傳遞給支承結(jié)構(gòu)，通過(guò)端柱將上、下幾榀水平網(wǎng)架聯(lián)接在一起，使閘門形成整體。本文采用組合“工”字形結(jié)構(gòu)，其剛性大，強(qiáng)度高。端柱、浮箱、門體結(jié)構(gòu)的擋水面板均采用殼單元按照實(shí)際構(gòu)造精細(xì)化建模。網(wǎng)架部分采用梁?jiǎn)卧！ｉT體結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2所示。防撞體系的桿件采用梁?jiǎn)卧雷裁姘宀捎脷卧?。剛性防撞結(jié)構(gòu)和三角閘門主體結(jié)構(gòu)之間在模型中通過(guò)綁定進(jìn)行連接。剛性防撞體系的最終模型如圖1所示。

門體結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)網(wǎng)架頂部的液壓直推式啟閉機(jī)的推拉桿提供動(dòng)力繞著端柱轉(zhuǎn)動(dòng)。其約束情況為在端柱的頂部限制x、y兩個(gè)方向約束，在端柱底部限制x、y和z三個(gè)方向的約束，在端柱附近的圓鋼管上作用有液壓直推式啟閉機(jī)的推拉桿，約束采用固接。具體的約束施加情況如圖2所示。門體結(jié)構(gòu)和剛性防撞結(jié)構(gòu)中材料選用為Q345鋼材，彈性模量為210GPa，屈服強(qiáng)度為345 MPa。在ABAQUS中賦予桿件理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系。

船舶的采用實(shí)體單元進(jìn)行建模，在研究中，三角閘門防撞體系為研究對(duì)象，船舶考慮為接近于剛體，則通過(guò)增大彈性模量提高其剛度。船舶的具體建模情況如圖3所示。采用ABAQUS/Explicit顯示動(dòng)力分析，通過(guò)建立接觸關(guān)系來(lái)模擬碰撞，接觸關(guān)系中的接觸對(duì)為船頭部分和防撞體系中防撞面板，其中船頭部分為主面，防撞體系中防撞面板為從面。

3 剛性防撞體系動(dòng)力分析

3.1計(jì)算工況

本文選擇設(shè)計(jì)船型2000t的船舶，考慮到船舶在通過(guò)閘室時(shí)滿載為最不利的情況，所以選擇滿載重量為2800t的船舶進(jìn)行撞擊研究。船舶正常通過(guò)閘室的過(guò)程中與閘門發(fā)生的最大碰撞角度為4度，即船頭抵在船閘閘門的一側(cè)，船尾抵在中心航道線一側(cè)。根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，取船舶的航行速度為1.4m/s。進(jìn)閘與出閘相比，出閘為不利工況。選擇各種因素最不利的工況，研究船閘閘門剛性防撞結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng)。

3.2撞擊位置

為了考慮不同撞擊點(diǎn)對(duì)三角閘門防撞體系的影響，考慮到撞擊位置的任意性，取防撞結(jié)構(gòu)體系上五個(gè)撞擊點(diǎn)的位置進(jìn)行研究，如圖4所示。具體位置是以撞擊點(diǎn)距離羊角的距離與羊角和端柱距離的比值進(jìn)行劃分，從圖4中可以看出撞擊點(diǎn)分別為避開(kāi)端柱撞擊點(diǎn)，1/2撞擊點(diǎn)，3/8撞擊點(diǎn)，1/4撞擊點(diǎn)和1/8撞擊點(diǎn)。

3.3 動(dòng)力分析結(jié)果

剛性防撞結(jié)構(gòu)體系分為三角閘門主體和剛性防撞結(jié)構(gòu)。從三角閘門主體和剛性防撞結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行研究。研究三角閘門主體的動(dòng)力響應(yīng)可以判斷剛性防撞結(jié)構(gòu)在計(jì)算工況下的防護(hù)效果;研究剛性防撞結(jié)構(gòu)可以判斷在計(jì)算工況下撞擊的損傷情況。對(duì)剛性防撞結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，從三角閘門主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能、應(yīng)力峰值，防撞體系的防撞桿件、防撞面板的應(yīng)力和塑性應(yīng)變來(lái)進(jìn)行分析。由前面可知，總共有5個(gè)撞擊點(diǎn)，以船舶在1/8撞擊點(diǎn)為例進(jìn)行具體說(shuō)明。

圖5為三角閘門主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值，可以看出，最大應(yīng)力的桿件在推拉桿的約束附近，大小為166MPa，處于彈性范圍內(nèi)。圖6為三角閘門主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能，其反映了在撞擊過(guò)程中主體結(jié)構(gòu)應(yīng)變能的變化，從圖中可以看出船頭撞擊面板前到船頭離開(kāi)面板的過(guò)程，應(yīng)變能先增大后減小，在0.1s撞上面板，應(yīng)變能急劇增大，在0.4s達(dá)到最大值，最大應(yīng)變能為6.66e3J，此時(shí)刻船頭在垂直于面板方向的速度為0m/s，隨后船頭離開(kāi)防撞面板，應(yīng)變能減小?？梢钥闯?，撞擊的時(shí)間很短暫，為0.3s。從防撞面板和支撐桿件的塑性情況可知，在撞擊過(guò)程中防撞體系出現(xiàn)了損壞。綜上，在計(jì)算工況下，1/8撞擊點(diǎn)處的剛性防撞結(jié)構(gòu)體系在撞擊過(guò)程中，三角閘門主體結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)損傷，防撞體系對(duì)主體結(jié)構(gòu)起到了良好的保護(hù)作用，但是防撞面板和防撞桿件出現(xiàn)了塑性損傷。

對(duì)于其他幾個(gè)撞擊點(diǎn)的情況，以表格的形式來(lái)呈現(xiàn)，三角閘門主體結(jié)構(gòu)應(yīng)變能和應(yīng)力峰值如表2所示，防撞面板和防撞桿件計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表2和表3可以看出，三角閘門主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值都在彈性范圍內(nèi)，但防撞面板和防撞桿件都出現(xiàn)了不同程度的破壞，且防撞桿件的破壞程度大于防撞面板。結(jié)果分析表明，在正常通過(guò)船閘出現(xiàn)的最不利工況下，剛性防撞結(jié)構(gòu)體系在撞擊過(guò)程中對(duì)于主體結(jié)構(gòu)可以起到有效的保護(hù)作用，但是防撞體系沒(méi)有良好的消能作用，導(dǎo)致防撞體系撞擊受損。

4 結(jié)論

本文結(jié)合合裕線裕溪一線船閘擴(kuò)容改造工程大型三角閘門設(shè)計(jì)，開(kāi)展了設(shè)計(jì)船舶最不利工況下對(duì)剛性防撞結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力撞擊分析，得出以下結(jié)論：

（1）剛性防撞體系可以對(duì)三角閘門主體結(jié)構(gòu)起到有效的保護(hù)作用;

（2）剛性防撞體系由于消能作用差，在撞擊過(guò)程中防撞面板和防撞桿件會(huì)出現(xiàn)塑性損傷，需要在最不利工況時(shí)對(duì)防撞體系進(jìn)行維護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

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