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纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)船撞吸能試驗與模擬
當前國內(nèi)外常用橋梁防撞設(shè)施,如人工島、群樁、鋼套箱、橡膠護舷等,存在占用航道多、撞損后難以修復(fù)、船撞力削減幅度有限等諸多弊端[1-7],因此,采用新材料設(shè)計開發(fā)新型防撞系統(tǒng)具有重要意義.
針對以上傳統(tǒng)材料防撞設(shè)施的局限性,首創(chuàng)了纖維增強樹脂基復(fù)合材料防撞系統(tǒng)[8-11],已應(yīng)用于潤揚長江大橋等30余座大型橋梁,其具有比剛度大、比強度高、可設(shè)計性好、耐腐蝕、吸能性能良好等優(yōu)良性質(zhì),但也存在彈性行程短、碰撞變形不可恢復(fù)、維修成本高等弊端[12-17],難以做到橋墩、船舶和防撞系統(tǒng)的三不損,而早在1976年,英國曾開發(fā)出一種立式柔性膠囊沙袋防護系統(tǒng)[18],用于抵御大噸位船舶撞擊,克服了傳統(tǒng)防護工程造價高、維修和施工困難的缺點,但該系統(tǒng)只適合水深不大、水流較緩、地質(zhì)條件良好的橋址區(qū)域. 借鑒該防護系統(tǒng)的材料組成和吸能原理,提出了一種散粒體填充纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體防撞系統(tǒng),如圖1. 該防撞系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示; 防撞系統(tǒng)包圍橋墩漂浮于水面,與橋墩無固定接觸,從而適應(yīng)水位變化,如圖1(b)所示.該結(jié)構(gòu)主要由軟體腔、腔內(nèi)散粒體及腔外保護罩三部分組成. 軟體腔為主體結(jié)構(gòu),由纖維增強橡膠基復(fù)材薄壁軟體材料制成,為圓筒形.散粒體密實填充于軟體腔內(nèi)部,起主耗能作用.防護罩以分段式結(jié)構(gòu)包覆于軟體腔外部,對軟體腔起保護作用,如圖1(c)所示.
圖1 纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體防撞系統(tǒng)
Fig.1 Fiber reinforced rubber composite anti-collision system
本文為研究散粒體填充纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)的撞擊吸能特性,進行了裸墩、設(shè)有纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體防撞系統(tǒng)橋墩的水平撞擊試驗,并與有限元模擬結(jié)果對比,驗證有限元模型的正確性,進而利用數(shù)值分析研究不同直徑纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體的防撞性能,為該結(jié)構(gòu)在橋梁防船撞領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考.
1 材性試驗
試驗采用5 mm厚度的纖維增強橡膠復(fù)合材料,內(nèi)部組成為四層纖維布五層橡膠,纖維布和橡膠之間采用熱黏合. 拉伸性能試驗參照國家標準《硫化橡膠和熱塑性橡膠拉伸性的測定》(GB/T 528—92)進行,拉伸試件尺寸取115 mm×6 mm(狹小平行部分寬)×25 mm,兩個夾持端通過粘貼2 mm厚的加強片增大咬合力,拉伸試件數(shù)量為3個,試驗加載速度設(shè)為2 mm/min.
試驗過程中纖維布先斷裂,發(fā)出“噼啪”聲,最后橡膠開始斷裂,見圖2. 從另一方面也說明了橡膠的延展性強,而纖維布的主要作用是提高拉伸強度. 纖維增強橡膠復(fù)合材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線見圖3. 取三個試件試驗結(jié)果的平均值可得5 mm厚纖維增強橡膠復(fù)合材料伸長率為4.93%,拉伸強度為106.45 MPa,彈性模量為493.73 MPa,其拉伸過程近似呈線彈性.
圖2 纖維增強橡膠復(fù)合材料拉伸試驗
Fig.2 Tensile test of fiber reinforced rubber composites
圖3 纖維增強橡膠復(fù)合材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線
Fig.3 Stress-strain curves of fiber reinforced rubber composite
2 撞擊試驗
軟體系統(tǒng)的尺寸及軟體層厚度根據(jù)實際尺寸按照1:10的比例縮比,其直徑為300 mm,迎撞側(cè)寬度為800 mm. 纖維增強橡膠復(fù)合材料厚度為5 mm,內(nèi)部組成為四層纖維布五層橡膠,如圖4,纖維布和橡膠之間采用熱黏合,選用粒徑10 mm以下的陶粒作為內(nèi)部填充料,如圖5,軟體懸掛在橋墩前方以模擬軟體漂浮于水面的狀態(tài),如圖6.
圖4 纖維增強橡膠復(fù)合材料
Fig.4 Fiber reinforced rubber composite
圖5 纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)
Fig.5 Fiber reinforced rubber composites soft body system
圖6 橋墩前方設(shè)置復(fù)合材料軟體系統(tǒng)
Fig.6 Soft body system in front of bridge pier
本試驗船艏模型的原型為5 000DWT貨輪,模型采用與船舶同樣材性的鋼板按照實際尺寸的1:10比例縮比制作,通過抗彎剛度等效簡化實際船舶內(nèi)加勁肋等結(jié)構(gòu),確定船艏縮尺模型各層鋼板以及外殼鋼板厚度均為1.5 mm,鋼板之間采用氬弧焊連接,船艏模型質(zhì)量為34 kg,船艏與撞擊剛性小車之間通過焊接連接.
圖7 船艏模型
Fig.7 Model of the ship bow
本試驗在南京工業(yè)大學230 kJ落錘試驗機上進行,水平撞擊試驗系統(tǒng)主要包括落錘、小車、導軌、反力墻等部分. 落錘試驗機型號為DTM2234-11,最大提升高度20 m,可提供最大230 000 J的沖擊能量. 通過滑輪將落錘的部分重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的動能. 小車質(zhì)量為1 580 kg,小車和船頭總質(zhì)量為1 614 kg,撞擊處距基礎(chǔ)頂面600 mm,小車前端剛性撞擊頭尺寸為580 mm×200 mm×100 mm. 水平撞擊試驗系統(tǒng)布置如圖8.
圖8 水平撞擊試驗系統(tǒng)
Fig.8 Horizontal impact test system
試驗測量的數(shù)據(jù)包括水平撞擊力和撞擊速度. 動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括力傳感器、速度采集器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集箱等. 撞擊力基于力傳感器上應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換采集得到,力傳感器的精度等級為0.5級,其固有頻率為200 kHz,信號經(jīng)DH3840程控應(yīng)變放大器放大后輸入到動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀. 速度采集的精度等級為0.5級,采用雙束激光測量. 撞擊過程通過高速攝像儀拍攝,型號為索尼NEX-FS700RH,每秒幀數(shù)400FPS.
本試驗船艏-小車撞擊體質(zhì)量為1.614 t,撞擊速度為2 m/s,橋墩為整體現(xiàn)澆橋墩,根據(jù)有無防撞設(shè)施設(shè)置裸墩(RC)、設(shè)有散粒體填充纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)墩(FRRC)兩種試驗工況.
圖9給出了兩種工況的撞擊力-時程曲線. 當速度為2 m/s時,裸墩承受的撞擊力最大值為92.15 kN,船艏接觸橋墩后上翹,船艏前端出現(xiàn)潰縮,如圖 10.
圖9 兩種工況下的撞擊力-時程曲線(v=2 m/s)
Fig.9 Impact force-time histories curves under two working conditions(v=2 m/s)
圖 10 RC工況水平撞擊試驗
Fig.10 Horizontal impact test under RC
設(shè)有纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體防撞系統(tǒng)的橋墩承受的撞擊力最大值為68.90 kN,其撞擊力時程曲線出現(xiàn)了兩個峰值. 第一個峰值為68.90 kN,出現(xiàn)在0.067 s處,為船頭與纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體防撞系統(tǒng)碰撞時產(chǎn)生,經(jīng)過纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體潰縮及陶粒破碎摩擦壓縮后,船頭與墩身碰撞,于0.090 s出現(xiàn)第二個峰值,為65.10 kN. 纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體防撞系統(tǒng)對撞擊力最大值的削減率為25.23%. 纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)在受到撞擊后能很快恢復(fù)變形,表面沒有明顯破損,小車被反彈距離較遠,如圖 11(b)所示,該纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)能夠有效吸收撞擊產(chǎn)生的能量.
圖 11 FRRC工況水平撞擊試驗
Fig.11 Horizontal impact test under FRRC
3 撞擊試驗有限元模擬
采用ANSYS軟件建立水平撞擊試驗有限元模型,船艏和復(fù)合材料軟體采用Shell163殼單元(4結(jié)點單元,具有6個自由度,包括x、y、z方向的位移自由度和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動自由度). 船身、陶粒和橋墩取用Solid164三維實體單元(8個節(jié)點3維顯示單元,各節(jié)點有x、y、z方向的平移、速度和加速度3個自由度).
在動力顯式分析軟件LS-DYNA中模擬分析,并基于后處理軟件LS-PREPOST對計算結(jié)果進行處理. 陶粒采用*MAT_CRUSHABLE_FOAM單元模擬,其密度為5 350 kg/m3,彈性模量為12 GPa,泊松比為0.25,并輸入陶粒的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線,曲線由筒壓試驗測得(圖 12). 軟體層5 mm厚纖維增強橡膠采用*MAT_ELASTIC單元模擬,其密度為1 350 kg/m3,泊松比為0.32,彈性模量由拉伸試驗測得為493.73 GPa; 鋼船艏、鋼塊車身及橋墩采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC單元模擬,其中,鋼船艏材料的最大失效應(yīng)變?yōu)?.35[19].
圖 12 陶粒壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線
Fig.12 Stress-strain curve of ceramsite
橋墩在網(wǎng)格劃分時采用統(tǒng)一的30 mm的六面體網(wǎng)格尺寸. 船艏部分網(wǎng)格尺寸為30 mm,陶粒和軟體層網(wǎng)格尺寸為20 mm,由于其余部分遠離撞擊區(qū)域,為提高計算效率,船身和鋼塊網(wǎng)格尺寸為40 mm. 本模型包含兩個接觸對,即軟體與橋墩間的相互接觸、撞擊體與軟體間的相互接觸,接觸參數(shù)見表1.
表1 接觸參數(shù)
Tab.1 Contact parameters
有限元模擬所設(shè)工況和模型試驗一致,主要對比有限元模擬和模型試驗的撞擊力時程曲線和軟體變形形態(tài),驗證有限元計算的準確性.
如圖 13所示,RC工況下,試驗的撞擊力最大值為92.15 kN,有限元模擬的撞擊力最大值為105.91 kN,兩者相對誤差為14.93%; 試驗和有限元模擬的撞擊持續(xù)時間基本相同,分別為0.103 s和0.119 s,撞擊力時程曲線趨勢基本吻合. FRRC工況下,試驗的撞擊力最大值為68.90 kN,有限元模擬的撞擊力最大值為78.51 kN,兩者相對誤差為13.95%. 試驗和有限元模擬的撞擊持續(xù)時間基本相同,分別為0.150 s和0.152 s. 如圖 14所示,構(gòu)件的變形形態(tài)也基本相同. 由表2可知,該纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)對船撞力的削減率在試驗中為25.23%,在有限元模擬時為25.87%,二者誤差僅為2.5%. RC工況下,船艏潰縮吸能,吸能試驗值為1 632.85 J,模擬值為1 801.53 J,相對誤差為10.33%,FRRC工況下,船艏潰縮量較小,吸能主要由軟體系統(tǒng)承擔,吸能試驗值為3 038.51 J,模擬值為3 121.76 J,相對誤差為2.74%. 從上述結(jié)果可以看出,有限元模擬的撞擊力-時程曲線的趨勢與試驗基本一致,兩個工況的試驗值和有限元模擬值的誤差也都在20%以內(nèi),船撞力削減率的試驗值和模擬值相對誤差很小,從而驗證了有限元模型的準確性.
圖 13 有限元模擬與模型試驗撞擊力-時程曲線對比
Fig.13 Comparison of impact force-time curves between FE analysis and impact test
圖 14 有限元與試驗構(gòu)件變形狀態(tài)對比
Fig.14 Comparison between FE analysis and impact test
表2 撞擊試驗值與有限元值結(jié)果對比
Tab.2 Comparison of results between horizontal impact test and FE analysis
在驗證有限元模型可靠性后,分別對設(shè)有直徑為30 cm、40 cm、50 cm的纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體的橋墩建立有限元模型,進一步對比不同直徑纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)的吸能效果,圖 15為三種工況的撞擊力-時程曲線,以撞擊力出現(xiàn)點為起始點,曲線下降段出現(xiàn)拐點為終止點,三種工況的撞擊持續(xù)時間分別為0.103 s、0.112 s、0.129 s,即隨著軟體直徑的增大,撞擊持續(xù)時間也會增大,相應(yīng)地撞擊力峰值降低,對水平撞擊力峰值的削減率分別為25.87%、42.08%、58.77%.無軟體工況下,船艏潰縮能量吸收率為55.81%,設(shè)置軟體后能量吸收率提高顯著且船艏無明顯潰縮.筒徑30 cm軟體工況下,能量吸收率達96.71%,筒徑40 cm和筒徑50 cm軟體工況下能量吸收率可達100%. 綜上可知,纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體的直徑對其撞擊吸能特性有著顯著影響,撞擊力削減率與軟體直徑基本呈線性關(guān)系,直徑每增大10 cm,船撞力削減率增大約16%. 軟體吸能效果顯著,同時對船艏起到了很好的保護作用.
圖 15 三種工況下撞擊力—時程曲線對比
Fig.15 Comparison of impact force-time curves under three working conditions
表3 參數(shù)分析結(jié)果
Tab.3 Parameter analysis results
4 結(jié)論
針對纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)進行的水平撞擊試驗,對比驗證了有限元模型,并利用該模型進行了參數(shù)分析,得出以下結(jié)論:
(1)模擬結(jié)果中荷載-時程曲線的趨勢與試驗基本一致,軟體受撞擊后變形形態(tài)也與試驗一致,水平撞擊模擬結(jié)果和試驗結(jié)果對比的誤差在20%以內(nèi),尤其在撞擊力削減率上,試驗值為25.23%,模擬值為25.87%,誤差僅為2.5%,從而驗證了有限元模型的有效性與準確性;
(2)根據(jù)撞擊試驗結(jié)果,該軟體系統(tǒng)受撞后產(chǎn)生明顯變形,撞擊處耗能填充料呈現(xiàn)破碎狀,但軟體受撞后能迅速回彈,且表面無明顯破壞,相比于纖維增強樹脂基復(fù)合材料受撞后表面易破壞且變形不可恢復(fù)的弊端,纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體具有非常顯著的優(yōu)勢;
(3)根據(jù)參數(shù)分析結(jié)果,三種工況的撞擊力峰值分別為78.15 kN、61.34 kN、43.67 kN,撞擊力峰值削減幅度分別達到25.87%、42.08%、58.77%,該纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)能夠耗散大部分能量,撞擊吸能效果顯著,對船艏起到很好的保護作用,軟體直徑對其撞擊吸能性能有較大的影響.
為進一步研究纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體系統(tǒng)的撞擊吸能特性,還需考慮撞擊次數(shù)、耗能填充料、纖維增強橡膠復(fù)合材料軟體面層等因素的影響.
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