桥区船舶运动数值模拟及船撞风险分析

论文摘要

随社会经济的发展,陆路及水路运输得到迅猛发展,跨江桥梁建设越来越多,而河中船舶流量也越来越大,导致船舶碰撞桥梁的事故时有发生,轻者桥梁受损,重者桥梁倒塌,因此船撞是一个不容忽视的问题。目前,国内外学者针对船桥的防撞设施的设置和碰撞机理方面的研究较多,也取得了一些有价值的成果,但我国在船撞桥方面研究较少。本文在此背景下,采用数值模拟、理论分析方法,并结合工程实例对桥梁通航安全影响、船撞桥的风险、船撞力等方面进行了初步研究。本文研究采用理论分析、经验公式、数值模拟相结合的方法。首先从风、流对船舶漂移影响分析入手,考虑风、流影响,建立了船舶运动的MMG数学模型,可用于预测风流作用下船舶撞击桥墩的可能情况及发生撞击的速度、角度的状况。并采用该模型对拟建丰都长江二桥的建桥对通航安全的影响进行了分析。其次,结嘉陵江千厮门大桥,采用经验公式及ANSYS/LS-DYNA软件,编程计算了1000t、2000t、3000t及1T+2×1000吨级船队正碰水中桥墩情况下几种工况的船撞力,并对经验公式和显示有限元两种方法的计算结果进行了对比分析,表明有限元仿真法是船桥碰撞力计算有力的手段,其计算结果可作为桥梁防撞设计科学依据,同时为船撞桥风险分析奠定了基础。最后,本文对比分析了现有的几种船撞桥概率模型,选用AASHTO方法并结合东水门长江大桥建设,对船撞桥风险做了具体的计算和分析,得出东水门长江大桥的船撞桥风险的大小。本文的研究成果可以为从通航角度研究船撞桥风险分析提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和必要性
• 1.2 课题的研究现状
• 1.2.1 船舶运动数学模型研究综述
• 1.2.2 现有的船桥碰撞的计算理论及发展
• 1.2.3 船撞桥风险研究
• 1.3 研究目的和内容
• 第二章 风、流对通航安全的影响分析
• 2.1 风对通航船舶航行的影响
• 2.1.1 风致偏转
• 2.1.2 风致偏移
• 2.1.3 风对船体作用力
• 2.2 流对通航船舶航行的影响
• 2.2.1 水流对船速和冲程的影响
• 2.2.2 流压对船舶漂移的影响
• 2.2.3 水流对船体的作用力
• 2.3 桥区船舶通航能力
• 2.4 丰都长江二桥工程实例
• 2.4.1 工程概况
• 2.4.2 计算参数选取
• 2.4.3 计算结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 风、流下船舶操纵运动仿真分析
• 3.1 概述
• 3.2 风流作用下船舶运动的数学模型
• 3.2.1 坐标系
• 3.2.2 船舶参数的无因次化
• 3.2.3 作用在船体上的水动力系数估算
• 3.2.4 深水中船舶直航阻力系数估算
• 3.2.5 粘性类水动力和力矩估算模型
• 3.2.6 螺旋桨的水动力计算
• 3.2.7 作用在舵上的水动力
• 3.2.8 作用在船体上惯性水动力计算
• 3.3 MATLAB 软件简介
• 3.4 船舶运动仿真分析
• 3.4.1 龙格-库塔法基本思想
• 3.4.2 计算机仿真计算的基本步骤
• 3.5 实例一
• 3.6 实例二：丰都长江二桥
• 3.6.1 工程概况
• 3.6.2 基本参数
• 3.6.3 仿真结果
• 3.7 本章小结
• 第四章 船桥碰撞力计算
• 4.1 碰撞分析数值仿真的基本理论
• 4.1.1 接触碰撞的类型
• 4.1.2 接触碰撞数值计算方法
• 4.1.3 接触一碰撞算法的有限元实现
• 4.2 船撞力基本参数的选取及影响因素
• 4.2.1 船舶的撞击速度
• 4.2.3 撞击角度
• 4.2.4 船舶撞击吨位
• 4.2.5 桥梁的刚度
• 4.3 船桥碰撞力的规范经验公式
• 4.3.1 美国《公路桥梁设计规范》
• 4.3.2 修正后的沃辛公式
• 4.3.3 我国《铁路桥涵设计基本规范》
• 4.3.4 我国的《公路桥涵设计通用规范》
• 4.3.5 《挪威桥梁载荷规范》
• 4.4 千厮门嘉陵江大桥工程实例
• 4.4.1 工程概况
• 4.4.2 桥区船舶航迹线
• 4.4.3 桥区通航水流条件
• 4.4.4 各种参数的取值
• 4.4.5 船桥碰撞力的规范公式计算结果
• 4.4.6 船桥碰撞力有限元仿真结果
• 4.4.7 计算结果的比较分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 桥梁船撞风险分析的研究
• 5.1 风险分析的基本理论介绍
• 5.1.1 风险的概念
• 5.1.2 风险分析及其构成
• 5.1.3 风险分析的方法
• 5.2 船舶撞击桥梁风险分析的基本框架
• 5.3 现有船桥碰撞概率计算模型
• 5.3.1 船撞概率计算模型介绍
• 5.3.2 几种计算模型的比较
• 5.4 船撞桥的风险接受准则
• 5.5 东水门长江大桥船撞桥风险计算和分析
• 5.5.1 工程概况
• 5.5.2 基本参数取值
• 5.5.3 偏航概率计算
• 5.5.4 几何概率计算
• 5.5.5 年碰撞概率计算
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望与不足
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果