随着海上丝绸之路的提出使得现代水运行业蓬勃发展,船舶运输频率明显增加。船舶在靠泊和装卸作业时,在码头前沿部分,经常会受到船舶的撞击和挤压等作用。其中,撞击的作用对码头结构的影响最为明显,有可能会对结构造成损伤甚至码头的倒塌,对经济的影响和人员的伤亡是不可估量的。为防止这种事故的发生就需要对码头建筑物和船舶自身进行保护,一般的做法是,在码头前沿设置防冲设备,靠船桩就是防冲设备的一种,其主要作用是在码头前沿直接承受船舶的撞击荷载,通过桩自身及护舷变形来吸收船舶撞击产生的能量,为进一步对靠船桩的型式及布置进行优化,需开展船舶与靠船桩碰撞的研究。本文利用ANSYS有限元软件建立了详细的船舶与柔性靠船桩碰撞有限元模型,并运用LS-DYNA程序对模型进行数值求解,对船舶撞击柔性靠船桩的受力机理、船舶撞击力、靠船桩响应和整个碰撞系统能量转化等进行了分析,并与规范中理论计算值进行了对比。论文主要内容及结论如下:(1)利用ANSYS/LS-DYNA建立船舶撞击柔性靠船桩数值模型,船舶撞击柔性靠船桩的撞击力曲线近似为抛物线形式,船舶在撞击最开始阶段,由于柔性靠船桩自身的柔性,基本上都经历了不同时间的二次撞击。船舶与柔性靠船桩的碰撞过程中,其本质是能量交换的过程,同时符合能量守恒。船舶的初始动能(其中包含附加水质量)转化为船艏和钢管桩的内能、剩余动能、沙漏能和滑移能,同时滑移能主要产生在撞击力峰值附近的时间段中。(2)对于内河中常见的500t、1000t、1500t、2000t不同吨位下的船舶撞击力峰值进行了分析和比较。当吨位较小时,撞击力峰值有呈类似线性关系的趋势,但随着吨位的增大到2000t时,撞击力峰值的增加量减小,撞击力不再呈类似线性关系。因为船艏或靠船桩的材料出现了塑性变形,随着吨位的增加明显增加了撞击的持续时间,并使撞击力达到峰值的时间延后。(3)探讨了船舶初速度在0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s、下对撞击柔性靠船桩的影响,发现撞击速度对撞击力的影响要比吨位对撞击力的影响大得多,同时当2000t的船舶撞击速度为0.6m/s时,靠船桩没有回到撞击前初始位置,说明此时桩身达到了破坏,同时也可以说明靠船桩发生屈服状态破坏的临近点在撞击速度在0.4m/s到0.6m/s时间段。(4)研究了砂土的弹性模量对柔性靠船桩的影响分析,改变砂土的弹性模量对柔性靠船桩的撞击影响不是很大,在到达峰值之前,不同弹性模量的撞击力曲线基本重合且趋势基本一致,仅对整个碰撞过程时间和峰值略有影响,且相差不大。土体在不同时刻的应力分布的区域在撞击开始阶段船舶与钢管桩接触瞬间,钢管桩通过自振先对管内土体有影响。随着碰撞过程时间的推移,钢管右侧土体应力慢慢变大。碰撞过程结束后,船舶发生回弹,钢管桩也通过自身柔性慢慢恢复,钢管桩自身的震荡使得左侧土体也有应力产生。通过应力云图发现,土体受到的应力远没有钢管桩受到的应力大,说明土对整个撞击过程的影响很小。(5)不同的钢管壁厚相当于结构的不同抗弯刚度,当钢管桩内径加厚到30mm时,桩顶位移最大值与20mm壁厚相比减少了 35mm的位移量,减少了壁厚越大导致结构刚度越大,撞击时间越发靠前撞击力越大,位移越小。原因是结构的抗弯刚度加大,导致吸收的能量减少,吸收的内能少,动能对应的撞击力也就增大。同时壁厚越大导致桩顶位移越小。