船-橋碰撞機理及防撞預控模型研究結(jié)題摘要

大量跨江跨海等跨越通航水域橋梁的建設(shè)，在構(gòu)建立體交通、促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的同時，也對水上交通運輸造成了不利影響，隨著船舶尺度和通航密度的增大，船－橋碰撞事故風險逐步提升，橋梁及橋區(qū)通航安全問題亟待解決。本課題應用現(xiàn)代船舶操縱理論和船舶水動力干擾理論，對復雜環(huán)境條件影響下的多船間水動力干擾開展建模研究，通過在控制力、船-船干擾力、船-橋干擾力和風、流等環(huán)境力作用下的船舶運動建模，研究船舶在受控和欠控運動狀態(tài)下的船-橋碰撞機理，并對船舶失控撞擊橋梁的危險水域進行辨識及預警，建立基于智能預測控制方法的橋梁防船撞預控模型，形成船-橋防撞預控機制。 在受控、欠控橋梁船撞機理研究方面，建立了干擾水動力計算模型，分別對對遇、追越情況下的船間干擾力進行了研究，得出了船間干擾力的作用范圍及變化規(guī)律。對遇和追越情況下，船間干擾力和轉(zhuǎn)船力矩均在兩船縱距約為1.5倍船長左右開始作用，船間干擾力和船間干擾轉(zhuǎn)船力矩都隨兩船橫距的減小而增大，兩船橫距變化對對遇和追越情況下的船間干擾力和轉(zhuǎn)船力矩開始作用的起點影響較小。 在船舶受控、欠控過橋運動航跡控制方面，建立了船舶受控、欠控運動模型；開發(fā)了模糊PID控制算法；根據(jù)仿真模擬實驗結(jié)果最終得到船舶安全通過連續(xù)彎曲航道的控制策略，并對不同舵角組合操縱效果進行了分析與仿真，確定了特定條件下的船舶最優(yōu)操縱策略。 在船舶失控撞擊橋梁危險水域分析方面，基于船-橋水動力臨界干擾區(qū)的橋墩鄰近橋區(qū)水域邊界界定了橋梁禁入?yún)^(qū)，建議船-橋之間橫向留出不少于1倍船寬的安全間距，作為橋區(qū)水域范圍的橫向邊界；基于船舶應急復航尺度的橋區(qū)水域邊界界定了橋區(qū)水域重點監(jiān)管區(qū)，并采用交通流反演的橋區(qū)特征水域反演技術(shù)，確定了橋梁不同斷面的橋區(qū)水域范圍縱向尺度；運用蒙特卡洛隨機模擬的方法，建立了船舶失控狀態(tài)下的船-橋碰撞概率與橋區(qū)水域范圍的關(guān)系模型。界定了計入船舶失控影響的橋區(qū)水域警戒區(qū)，為海事部門科學監(jiān)管，保障橋區(qū)水域船舶通航安全及應急搶險提供科學依據(jù)，以避免因船舶失控導致船-橋碰撞事故的發(fā)生。 本項目從受控船舶、船舶應急操縱和失控船舶三個層面對橋區(qū)水域進行了界定，并將橋區(qū)水域范圍劃定為三個區(qū)域，使橋區(qū)水域的界定更加科學化、定量化，橋區(qū)水域的監(jiān)管也因為三個區(qū)域的劃分變得更加具有針對性。研究成果可以豐富交通運輸基礎(chǔ)理論，為水路交通安全減災技術(shù)探索出一個全新的領(lǐng)域。 2100433B

大量跨江跨海等跨越通航水域橋梁的建設(shè)，在構(gòu)建立體交通、促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的同時，也對水上交通運輸造成了不利影響，隨著船舶尺度和通航密度的增大，船－橋碰撞事故風險逐步提升，橋梁及橋區(qū)通航安全問題亟待解決。本項目擬應用現(xiàn)代船舶操縱理論和船舶水動力干擾理論，對復雜環(huán)境條件影響下的多船間水動力干擾開展建模研究，通過在控制力、船-船干擾力、船-橋干擾力和風、流等環(huán)境力作用下的船舶運動建模，研究船舶在受控和欠控運動狀態(tài)下的船-橋碰撞機理，并對船舶失控撞擊橋梁的危險水域進行辨識及預警，建立基于智能預測控制方法的橋梁防船撞預控模型，形成船-橋防撞預控機制，提出防止失控船舶撞擊橋梁的應急方案。研究成果通過與ECDIS和IBS的嵌入，可實現(xiàn)船-橋防撞的預警和預控，對船舶駕引人員的不作為或不當作為做出橋梁撞擊預警或?qū)崿F(xiàn)自動強制避碰。本項目研究成果可以豐富交通運輸基礎(chǔ)理論，為水路交通安全減災技術(shù)探索出一個全新的領(lǐng)域

針對城市高架橋梁在地震作用下的碰撞問題，在顯式瞬態(tài)非線性有限元全過程數(shù)值仿真和分析基礎(chǔ)上，研究高架橋梁碰撞的物理力學行為和碰撞機理；研究高架橋梁碰撞簡化分析方法，發(fā)展三維碰撞接觸單元模型，確定模型參數(shù)的取值方法；研究碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學性能的影響，確定有利和不利碰撞的劃分標準，提出考慮碰撞因素的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計原則；研究高架橋梁碰撞的磁流變半主動控制系統(tǒng)的構(gòu)造、控制算法、驅(qū)動策略，發(fā)展橋梁碰撞的智能控制分析理論。通過上述研究，為高架橋梁地震碰撞分析和振動控制提供一套完整的理論方法和實施技術(shù)。 2100433B

開展船車撞擊下橋梁破壞機理和抗沖擊性能控制方法的研究：（1）通過材料沖擊試驗、構(gòu)件沖擊試驗和數(shù)值模擬分析，研究鋼筋混凝土構(gòu)件的沖擊破壞機理，修正中低應變速率范圍內(nèi)的混凝土沖擊本構(gòu)模型和參數(shù)，并建立廣義力-變形關(guān)系和構(gòu)件層面的沖擊破壞描述指標和參數(shù)；（2）研究等代船車模型；建立簡化時間荷載函數(shù)模型、簡化撞擊力-撞深關(guān)系模型，及其參數(shù)確定方法；研究船車-橋-防撞裝置-土壤-水耦合系統(tǒng)動力學建模和數(shù)值分析方法，開發(fā)分析軟件；（3）通過構(gòu)件和模型橋梁的沖擊試驗和數(shù)值模擬分析，研究該耦合系統(tǒng)在船車撞擊作用下的破壞、倒塌過程及其主要影響因素；（4）建立橋梁、防撞裝置及其耦合系統(tǒng)撞擊破壞性能等級的定量劃分方法、確定關(guān)鍵參數(shù)；從橋梁體系、構(gòu)型與尺度、防撞裝置等方面，研究橋梁在船車撞擊作用下結(jié)構(gòu)體系性能控制方法；（5）提出橋梁抗船車撞擊性能控制與設(shè)計的技術(shù)條文，并應用于2-3座橋梁的抗撞擊設(shè)計。