升船机承船厢防撞装置受撞数值模拟研究

韩 申，郑恩东，王 新，朱召泉

(1.河海大学 土木与交通学院，南京 210098；2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029)

随着国内高坝的建设, 升船机已在高坝通航中发挥越来越重要的作用[1]，一般在承船厢两端、工作闸门的内侧设置防撞装置, 以防止进厢船舶因误操作而发生事故[2]，国内外关于防撞装置的研究很少，仅有的一些研究也基本属于较为简单的理论分析或小型实船撞击试验。郑维钰等[3]进行了实船试验，研究了以钢丝绳为主要元件的柔性防撞装置的保护性能；方晓敏等[4]在隔河岩升船机中提出并设计了“防撞绳加缓冲油缸”型式的防撞装置；郝平[5]研究了升船机防撞梁与船舶撞击的动力响应，但此研究基于多种假设；赵亚楠等[6]对带有锁闩机构的防撞装置设备组成和结构型式进行了介绍；王悦等[7]阐述了防撞装置调试的内容及控制要求；王新等[8]首次在景洪升船机进行了承船厢厢头闸门防撞装置的实船撞击试验，探讨了“防撞梁加缓冲油缸”型式防撞装置的防撞效果和影响因素；为深入了解三峡升船机防撞装置的防撞效果，王新[9]在三峡升船机开展了承船厢厢头闸门防撞装置的实船撞击试验，测试了不同船舶行驶速度对碰撞结果的影响；2018年，王新等[10]在向家坝升船机进行现场实船撞击试验，该试验揭示了“防撞绳加缓冲油缸”防撞装置的工作机制和耗能特性。

本文以向家坝升船机承船厢防撞装置为背景工程，采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件，进行“防撞绳加缓冲油缸”防撞装置的船舶撞击数值模拟，分析不同船艏形状、船舶速度和防撞绳受撞位置等因素对防撞装置的受撞性能与耗能情况的影响，从而为此类防撞装置的合理设计与安全运行提供参考依据。

1 船舶及防撞装置模型有限元建立

1.1 船舶模型

以现场撞击试验所采用的942 t的自卸货船为对象建立船舶有限元模型，船舶尺寸为57.6 m×10.8 m×11.8 m(长×宽×高)，其中船舶型深3.2 m，吃水2.3 m，试验时排水量942 t，船艏倾角大约45°。因船舶与防撞装置碰撞时，仅船艏部分发生碰撞接触，船身并未直接参与接触碰撞，为简化计算，船艏选用LS-DYNA程序中003号应变强化弹塑性材料，采用壳单元Shell163模拟；船身按刚性体材料采用实体单元Solid164模拟，并通过改变船身刚性体的质量密度来等效模拟船舶的实际重量。

1.2 防撞绳加缓冲油缸模型

防撞钢丝绳采用Link167单元模拟，缓冲油缸采用弹簧单元Combi165来建立。为提高撞击位置的模拟精度，防撞绳线单元需精细划分，长度取为10 mm。

1.3 流体模型

承船厢水域范围长×宽×水深为116.0 m×12.0 m×3.0 m，采用无旋转、无压缩和无粘度的线性流体模型模拟水体单元，先对水体[11]采用Solid164实体单元建模，再对水体参数进行修改。水体参数通过关键字*MAT_NULL定义，空材料参数及状态方程参考劳伦斯国家实验室试验得到的参数拟合值。对于水体的网格特征尺寸取为400 mm。

图1 水体、船舶与防撞装置整体系统有限元模型

1.4 约束条件

对于升船机承船厢内水体，其前后左右及底面分别与船厢厢头闸门、船厢侧壁和船厢底铺板接触，故在水体与承船厢的上述接触面均设置接触面法线方向约束，使水体不能超出承船厢范围。对于防撞绳，与油缸相连接部分而处于活塞轨道内的防撞绳段，只允许沿承船厢纵向运动，约束另两方向的位移，缓冲油缸与承船厢相连的一端按固定铰支座处理。船艏与防撞绳自动点面接触，船艏内部自动单面接触；考虑流固耦合的两个对象主要是船舶与承船厢内水体之间的相互作用。

综上，水体、船舶与防撞装置整体系统的有限元模型如图1所示，整体模型的BEAM单元数783，DISCRETE单元数1，SHELL单元数18 285，SOLID单元数30 850，单元节点60 123个。

2 计算工况

首先对试验工况进行数值模拟并经试验结果验证，在验证数值模拟结果的精度和可行性后，再开展其他工况下的撞击数值模拟。向家坝防撞装置现场试验共进行了5组工况，试验船舶的船艏斜面倾角为45°，船舶正面撞击防撞绳中间位置，船速分别为0.22 m/s、0.26 m/s、0.38 m/s、0.52 m/s和0.6 m/s。

图2 试验与模拟防撞绳拉力最大值对比

完成数值模拟与上述试验结果对比验证后，分别考虑不同船艏倾角(30°、45°和60°)、不同船舶速度(0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s、0.6 m/s和0.7 m/s)和撞击防撞绳的不同位置(中间、左边、右边)等其他工况，分析该类防撞装置的受撞性能。

3 结果分析

3.1 撞击过程受力情况

为了验证数值模拟结果的计算精度和可行性，分别列出现场试验情况与数值模拟所得防撞绳受撞拉力的最大值，其对比曲线如图2所示。

由图2可知，初始速度小于0.38 m/s时，试验数据与模拟数据相差稍大，误差值大约在15%，在初始速度大于等于0.38 m/s时，试验数值与模拟数值较为接近，两者误差在5%左右，而本文主要研究的是撞击速度大于0.3 m/s的碰撞情况，在此范围内，数值模拟与试验结果较接近。

经有限元分析，绘出船艏斜面倾角为45°时不同撞击速度及不同撞击位置时的防撞绳最大拉力如图3所示。而不同船艏斜面倾角的船舶，以撞击速度为0.5 m/s且撞击在钢丝绳中间位置时的防撞绳最大拉力如图4所示。

图3 不同撞击位置防撞绳最大拉力-速度曲线图

由图3可知，撞击位置相同时，速度越大，防撞绳最大拉力越大，当船速超过0.6 m/s，此时油缸的行程已超过1 200 mm，此阶段油缸拉力与缓冲油缸行程呈负相关，油缸拉力有所下降，致使防撞绳拉力出现较快的增长趋势；在同一船速下，船舶在中间位置撞击产生的防撞绳拉力最大；由图4可知，船艏角度与防撞绳拉力呈负相关，这是因为船艏角度越小，船艏曲面平坦，在视觉上呈现出“尖角”的形状，撞击时防撞绳产生的变形量越大。

3.2 撞击过程的位移变化情况

船舶撞到钢丝绳后的最大缓冲距离的试验值与数值模拟结果变化趋势相同，试验值比数值模拟结果稍大，平均误差在6%左右。不同撞击工况下船舶的最大缓冲距离对比结果曲线如图5、图6所示。

图5 不同位置撞击时的船舶缓冲距离

由图5、图6可知，相同船舶在同一撞击位置时，船舶缓冲距离与船速正相关；相同船舶在同一船速下，右侧撞击缓冲距离最大，因缓冲油缸设置在右侧，钢丝绳右端相对于固定连接的左端，约束刚度偏小，故缓冲距离更大；船艏角度越小，受撞时防撞绳越能沿着船艏曲面向下移动，使船舶缓冲距离加长。当船速以0.7 m/s碰撞防撞绳时，船舶最大缓冲距离为2.8 m，已超过设计要求的船舶最大缓冲距离2.5 m，建议采用直径更大的防撞绳与阻尼更大的缓冲油缸，以满足防撞设计要求。

3.3 撞击过程中的能量转化情况

船舶与防撞装置接触碰撞过程中会发生能量转化，以试验撞击速度0.52 m/s碰撞防撞绳中间位置为例，绘制碰撞过程防撞系统的能量转化曲线如图7所示，船舶动能变化(船舶内能和沙漏能很小，忽略不计，只考虑动能变化)情况如图8所示。

如图7所示，接触碰撞过程可分为三段，分别为0～0.8 s、0.8～4.2 s、4.2～6.0 s。船舶前进初期，系统总能量与船舶动能相等，大约为127 kJ。在0～0.8 s，船舶与防撞绳接触碰撞前，船舶动能略有下降，主要因为水体缓冲作用，在这段时间内，船舶一部分动能转化为水体内能和动能，以及部分系统沙漏能，在船舶接触到防撞绳之前，船舶动能为121 kJ；在0.8～4.2 s，船舶与防撞绳接触，在防撞绳拉力作用下，船舶动能逐渐减小，在4.2 s时船舶动能降至零；在图7和图8中，系统动能仍存在残余值，这是因为船舶动能虽然降至零，但系统中其他部件仍有动能，例如水体的动能；在4.2～6.0 s，船舶开始往回移动，防撞绳变形渐渐恢复，缓冲油缸活塞杆缩回，船舶动能逐渐增大，但此时两者并未分离，故仍存在摩擦力，直至6.0 s，在此过程中，防撞系统的内能又转化为船舶动能、水体动能与内能、界面滑移能及一部分沙漏能；在接触结束时，船舶动能为111 kJ，界面滑移能为12.6 kJ，水体内能为4.89 kJ，防撞绳与缓冲油缸内能趋近于零，沙漏能6.63 kJ；在整个碰撞—接触—分离的过程中，船艏刚度较大，变形很小，防撞装置属于柔性，只有弹性变形，系统几乎没有产生塑性变形能，沙漏能占内能峰值的5.8%，小于10%，可以判定数值模拟计算结果正确且可以接受。

图7 防撞系统碰撞能量-时间曲线

为进一步了解在接触碰撞过程中能量消耗的情况，以船舶速度降到最低时为参照，分析对比碰撞系统各部分消耗船舶能量的情况，在向家坝升船机承船厢防撞系统碰撞试验中，船舶以撞击速度0.52 m/s碰撞防撞绳中间位置时，系统总能量为127 kJ，船舶防撞装置消耗能量109.97 kJ，占总能量86.4%，对应工况下的数值模拟结果为89.7%，二者较为相近。表1列出了试验工况与对应的数值模拟工况船舶防撞装置消耗能量的对比情况，因界面滑移能与水体能量很小，主要进行防撞绳与缓冲油缸耗能情况对比。

表1 试验与模拟耗能对比

由表1可知，船舶与防撞装置碰撞的数值模拟结果表明，防撞绳与缓冲油缸总耗能占比为89.7%～93%，其余能量则被水体、界面摩擦以及一部分沙漏能消耗掉；而试验结果中，船舶初始速度为0.22 m/s、0.26 m/s和0.6 m/s时，防撞装置总耗能占比为86.4%～90.5%(而在试验完成后，发现撞击速度为0.38 m/s与0.60 m/s试验工况下防撞装置耗能结果占比出现规律异常，但复查试验环节并未发现特殊原因，为完整记录试验结果，故也将其列入表1)。数值模拟与现场撞击试验防撞装置总耗能情况出现差别的原因，主要是数值模拟时未能考虑现场试验中存在的某些影响因素，如承船厢水流速度、试验现场的风速、防撞绳的老化、缓冲油缸活塞杆的摩擦润滑情况、船艏曲面老旧程度及防撞系统钢结构的初始缺陷等。因此，数值模拟所得的防撞装置耗能要大于现场试验，模拟结果更偏向于理想的撞击过程。

其他工况下防撞装置的耗能情况数值分析结果如表2所示。

由表2可知，各个工况下总耗能占比都在90%左右，碰撞事故发生时，防撞装置能有效阻止船舶继续前进，大量消耗船舶动能，可起到保护升船机承船厢厢头闸门的作用。而在防撞装置内部部件耗能情况略有不同，其中撞击位置在左边的，缓冲油缸耗能占比最大，平均达到70.54%，而中间位置耗能占比为63.96%，右边位置最小为61.81%。同样，撞击位置在右边的，防撞绳耗能占比最大为29.1%，中间次之为27.4%，左边最小为20.71%。而防撞绳耗能与缓冲油缸耗能占比与船舶速度关系不大，均在一确定的范围内波动。此外，船艏角度的影响也较为突出，船艏角度越小，缓冲油缸耗能占比越大，则防撞绳耗能占比越小，这是因为在船艏角度越小，船舶与防撞绳接触越不充分，防撞绳很快沿着船艏斜面向下滑动，做功也越小，船艏角度越大，越接近一个竖直曲面，则接触越充分。

表2 不同工况下防撞装置的耗能情况数值分析结果

4 结论

(1)同一船舶在相同船速下，撞击在防撞绳不同位置时，防撞绳产生的拉力不同，中间位置受撞时防撞绳拉力最大，在左边与右边受撞时防撞绳拉力稍小。同型船舶在相同船速下，不同角度船艏也会对防撞绳拉力有影响，具体表现为船艏角度越小，防撞绳拉力越大。(2)船舶在不同位置撞击防撞绳时，撞击位置越靠近缓冲油缸，船舶缓冲距离越大；其他因素相同时，船艏角度越大，船舶缓冲距离越小。(3)各撞击工况下，防撞装置耗能占比大致为总能量90%，耗能情况良好，能有效阻止船舶进一步前冲撞击承船厢厢头闸门；防撞装置中各个部件耗能占比略有不同，撞击位置越远离缓冲油缸，缓冲油缸耗能占比越大；船艏角度越小，缓冲油缸耗能占比越大，防撞绳耗能占比越小。在船速较大时，可能会出现船舶缓冲距离超过设计要求的情况，值得注意。(4)在船舶驶入承船厢时，应尽量减小船速，如不可避免要撞击到防撞绳，应尽量控制撞击远离缓冲油缸的位置，此时产生的防撞绳拉力相对较小，船舶缓冲距离更短，此时缓冲油缸耗能占比增大，在设计防撞装置时，建议选用耗能效果较好的缓冲油缸。若实际航行的船舶船艏角度较小，则选用屈服强度更高，截面面积更大的防撞绳，并搭配缓冲效果更好的缓冲油缸。