论文总字数：21693字

摘 要

码头是供船舶停靠、货物装卸以及旅客上下的水工建筑物，是港口的重要的组成部分。船舶靠泊码头时撞击产生的荷载是码头水平荷载的主要来源。若靠泊荷载远大于码头的实际承受能力，亦或事故服役导致码头受损、服役时间较长造成码头材料老化，则可能降低码头的安全系数，影响其正常使用。因此，开展码头在船撞作用下的动力响应分析具有重要的现实意义和应用价值。本文采用非线性有限元分析软件ANSYS/ LS-DYNA，结合中储粮镇江分公司的码头实际工程，查阅相关规范获得常用船型参数，在以往研究的基础上使用的船-码头模型中加入护舷，建立船舶-橡胶护舷-码头的有限元模型，并对船舶在靠泊过程中码头的动力特性进行分析。通过船舶撞击码头的模拟计算，获得码头的最不利受力位置和撞击过程中的应力分布情况，并进一步研究碰撞速度、碰撞角度、碰撞水平位置、碰撞竖直位置、船舶质量对码头的影响，获得不同工况下撞击力、结构位移变形、应力分布随时间的变化并对其进行分析，对码头结构的安全和承载能力做出评估与判断。研究结果表明：船舶速度与质量对码头动力响应影响最大，结构中撞击位置处构件和各桩是应力、位移分布集中的部位。

关键词：船舶撞击；码头；护舷；动力响应分析；

ABSTRACT

Wharf is the important component of a harbor, which is the building for ship mooring, cargo loading and unloading, passengers’ getting on and off a ship. The force caused by ship mooring is the main source of a wharf’s horizontal load. If the force caused by ship mooring is greater than the actual bearing capacity of the wharf, or accidents and long-term use lead to the damage of the wharf, it may decrease the wharf’s safety factor and influence the normal use. Therefore, it is necessary to analyze the dynamic responses of the wharf under the ship collision. By using the nonlinear finite element software ANSYS/LS-DYNA and check related specifications for common parameter of ship, combined with the wharf of Sinograin (Zhenjiang) Co., Ltd., the numerical model of ship-fender-wharf has been established. Compared with the traditional ship-fender, the rubber fender has been added to the model. The dynamic responses in the progress of ship mooring has been analyzed. According to the simulation calculation of the impact, the most disadvantageous position under force and the stress distribution in the progress of collision are available. The further study changes the velocity, impact angle, horizontal and vertical position, tonnage. Under different situations, the impact force, structure’s deformation, stress distribution varies with the time. By the analysis of the dynamic properties, the safety and carrying capacity has been evaluated. Results of the research indicates that the velocity and weight of ship matter in the dynamic response of wharf, and elements in the impact position and pales are concentrated parts of stress and displacement.

KEYWORDS: ship-collision; wharf; fender; dynamic response analysis;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景及研究意义 1

1.2 船舶碰撞研究历程 1

1.3 本文研究的主要内容与工作 3

第二章 ANSYA/LS-DYNA介绍 4

2.1 ANSYS/LS-DYNA的发展过程 4

2.2 LS-DYNA的理论介绍 4

2.3 LS-DYNA的模拟分析过程 4

第三章 有限元建模与船撞动力响应分析 6

3.1 结构有限元建模 6

3.1.1 高桩码头结构 6

3.1.2 船舶-护舷-码头有限元模型 6

3.1.3 材料模型参数与网格划分 8

3.1.4 后续处理 8

3.2 船撞码头计算结果与分析 9

3.2.1 撞击力大小与时程分布 9

3.2.2 码头结构整体位移矢量图 10

3.2.3 码头结构位移时程分布 11

3.2.4 码头结构等效应力分析 15

3.3 本章小结 17

第四章 不同工况下码头结构动力响应对比分析 18

4.1 不同碰撞水位对码头结构动力响应的影响 18

4.1.1 不同水位对撞击力大小与时程分布的影响 18

4.1.2 不同水位对码头结构位移时程分布的影响 19

4.2 不同碰撞速度对码头结构动力响应的影响 22

4.2.1 不同速度对撞击力大小与时程分布的影响 22

4.2.2 不同碰撞速度对码头结构位移时程分布的影响 24

4.3 不同碰撞角度对码头结构动力响应的影响 26

4.3.1 不同角度对撞击力大小与时程分布的影响 27

4.3.2 不同碰撞角度对码头结构位移时程分布的影响 28

4.4 不同船舶质量对码头结构动力响应的影响 30

4.4.1 不同船舶质量对撞击力大小与时程分布的影响 31

4.4.2 不同船舶质量对码头结构位移时程分布的影响 32

4.5 撞击不同位置对码头结构动力响应的影响 34

4.5.1 撞击不同位置对撞击力大小与时程分布的影响 35

4.5.2 撞击不同位置对码头结构位移时程分布的影响 36

4.6 本章小结 38

第五章 结论 39

5.1 本文主要结论 39

5.2 研究展望 39

参考文献 40

致 谢 41

绪论

选题背景及研究意义

我国国土广袤，河流众多，内河资源丰富。其中长江是我国第一长河，也有“黄金水道”之称，连接着西部、中部、东部，长江及其主要支流是我国内河航运的重要载体。码头是供船舶停靠、货物装卸以及旅客上下的水工建筑物，是港口的重要的组成部分^[1]。随着我国经济的快速稳定发展，各地区之间的人员交流、货物运输需求也在不断提升。同时，河道航运条件的不断改善，船舶大型化的发展趋势，以及一些较早建成的码头的老化问题，都给现有港口码头的长久安全服役带来了巨大的挑战。在船舶靠泊码头的时候不可避免的会由撞击力作用于码头结构上，因此码头结构也会产生相应的动力响应。并且可能存在的船舶撞击事故与超设计标准过荷使用码头，都会导致码头安全系数降低，甚至结构破坏，引起安全事故。仅仅将船舶撞击码头的过程看作是一个静力作用过程是不能完全保证船舶靠泊过程中码头结构的安全。

因此，以相关规范^[2]中的参数建立比较符合实际的实船模型，根据码头图纸建立详细、合理的码头结构模型，在不同船速、质量、撞击位置情况下对码头进行动力特性分析，较为准确的模拟出船撞过程中码头结构的动力响应，这对现有码头结构的安全评估以及后续高桩码头结构的设计都与一定的指导价值。

船舶碰撞研究历程

船舶碰撞一般分为两类：船舶与船舶的碰撞和船舶与结构物的碰撞^[3]。20世纪中叶，研究人员最先开始研究船-船碰撞过程。随着工程结构形式、工程材料等技术的飞速发展，大型桥梁不断被设计、建造，船舶的大型化也是不可避免的趋势，人们开始关注船-桥碰撞动力过程，这方面研究最初是以船-船碰撞理论为基础开展起来。本文主要研究的船舶-码头碰撞与船舶-桥梁结构碰撞类似，最初的船舶-码头碰撞也是从船舶-桥梁碰撞衍生而来的，两者统归为船舶-结构物碰撞。船舶撞击结构物理论涉及多个学科、研究领域：流体力学、冲击动力学、船舶力学等等。并且船舶撞击结构物的过程中非线性十分明显，包括船舶壳体撞击过程中的非线性变化、船舶结构物接触摩擦的非线性以及船舶在水体中航行运动过程的非线性。这一系列非线性因素都会导致碰撞过程极为复杂，也会给水工结构物的安全性造成巨大的挑战，因此众多学者、工程技术人员也一直重视该领域的研究。

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