船与桥墩的碰撞不仅会造成桥墩或船体结构的损坏，还会造成人员伤亡、环境污染等灾难性后果。因此，在桥墩上安装设计有效的防撞护舷，以吸收撞击能量、降低船桥碰撞力，提高船舶和桥梁的安全性，具有重要的现实意义。国内外学者对防撞护舷进行了大量研究，在理论机理、数值模拟、试验方法、优化设计等方面都取得了一定的成果。
由于复合材料防撞护舷具有重量轻、耐腐蚀，以及吸能能力更强，压溃载荷分布更均匀等优点，正受到越来越广泛的重视。但是，目前对复合材料防撞护舷的优化设计涉及甚少，为此，本文以复合材料防撞护舷为研究对象，在ANSYS/LS-DYNA和Isight平台上，对圆环形复合材料防撞护舷的结构进行优化设计，为结构参数的选取提供依据。
防撞护舷碰撞设计标准
为了获得安装防撞护舷后最大碰撞力的许用值，首先需要计算在未安装防撞护舷时，船桥碰撞的最大碰撞力。而影响船桥碰撞力大小的因素众多，理论计算非常复杂。目前国内外根据具体情况采用了不同简化公式或规范进行计算，比较常用的有：AASHTO规范、欧洲规范、我国公路规范、我国铁路规范和woisin修正公式等，每个简化公式都有一定的适用范围。
本文根据内河航道设计要求，最大碰撞力采用欧洲规范作为标准。当1000吨船舶以3.9m/s速度与桥梁相撞时， 最大碰撞力为30.2MN。安装圆环形复合材料防撞护舷后， 其碰撞力许用值采用“最大碰撞力（MN）×52.4%”的标准，即内河航道桥梁安装防撞护舷后，1000吨船舶的船桥最大碰撞力应不超过15.82MN。
碰撞试验与有限元计算结果对比
本文采用有限元计算方法，对1000吨货船与桥梁碰撞过程进行数值模拟，进而对圆环形复合材料防撞护舷的结构进行优化设计。而有限元模型的准确性需要通过试验结果进行对比验证。由于船桥碰撞试验困难，因此，本文首先通过对复合材料防撞护舷试样进行落锤冲击试验，并用有限元对落锤试验过程进行数值模拟。通过结果对比确定圆环形复合材料防撞护舷材料属性、单元类型等的选取原则，为获得防撞护舷相对精确的有限元模型奠定基础。
圆环形复合材料防撞护舷外壳与消能板以玻璃纤维板为材料，内部以玻璃纤维芯柱作支撑，结构内部填充聚氨酯泡沫作为耗能材料。这种材料和结构的组合，既可以最大效能地发挥吸能作用，又可以避免结构受冲击而引起的大规模破坏。根据此结构制作试验试样，通过落锤冲击试验，模拟船桥碰撞情况。首先将制作的试样置于环境箱中的刚性台面，然后用直径25.4mm的半球形锤头在落锤冲击试验机CEAST9350上对试件表面进行低速冲击。试验结果与ANSYS/LS-DYNA数值模拟结果具有较好的一致性，说明采用ANSYS/LS-DYNA模拟计算圆环形复合材料防撞护舷的碰撞动力学特性具有足够的可靠性。
碰撞模拟
1.防撞护舷结构型式
防撞护舷的设计应遵循不阻碍航道的原则，因此在保障防撞性能的情况下，应尽可能使防撞护舷的尺寸最小。本文主要对内河航道1000吨船舶进行防撞设计，根据计算和桥梁的尺寸，将圆环形外观尺寸确定为外圈直径Φ2500mm，内圈直径Φ1500mm。玻璃纤维芯柱均匀分布， 消能板位置由其直径确定。由于其直径的大小对防撞护舷的消能效果有一定的影响，本文将其作为设计变量，在优化后确定其准确位置。圆环形防撞护舷的截面形式如图1 所示。为了便于安装、调换，设计的防撞护舷结构通过分段组装而成，分段长度6m。整个防撞护舷环绕桥墩一周安装
2.船舶与防撞护舷碰撞有限元模拟
在船桥碰撞的数值仿真过程中，建立准确的有限元模型非常重要，但由于碰撞的复杂性往往不能按照实际结构建立有限元模型。因此，在满足船的强度需要的情况下对模型进行简化。本文对1000吨散货船进行船桥碰撞模拟， 模型结构按照实际船体结构尺寸进行建立，船的主要参数如表1所示，整个船体采用shell单元。防撞护舷有限元模型根据设计结构的变化进行建立，护舷板采用shell单元、芯柱采用beam单元，泡沫材料采用solid单元。因为碰撞接触在局部发生，产生的碰撞损坏也在局部，为了提高仿真速度， 防撞护舷的仿真模型简化为安装在桥墩上的一部分。而由于桥墩刚性大，在碰撞过程中变形小，对船、桥的影响较小，因此省略了桥墩有限元模型。在计算中对防撞护舷与桥墩的接触部位添加约束进行控制，由于护舷与桥墩是柔性连接，因此护舷-桥墩之间最大碰撞力不大于船-护舷碰撞的最大碰撞力。图3为船正向撞击防撞护舷的有限元模型。
通过设置单元类型、材料属性、接触算法及添加约束控制后,对船桥碰撞过程进行有限元模拟,图4为防撞护舷消能板厚度和芯柱直径均为3mm,消能板直径为Φ1800mm时的数值模拟结果,途中碰撞力为船-护舷碰撞的最大碰撞力。
结构优化评价指标
船桥碰撞最大碰撞力Fmax、护舷变形大小S和船舶吸收能量E或护舷吸收能力E＊是护舷结构设计优良的直接体现。显然，Fmax越小越好；S则在保证Fmax的情况下，越小越好，这样既可以保护桥梁，又可以使护舷不用一经撞击就要更换，延长护舷使用寿命；E则越小越好或E＊越大越好。但几者之间有耦合，因此，本文采用权重法，综合考虑三者确定防撞护舷的结构优化设计综合评价指标OB为：
min[OB=W1×Fmax+W2×E+W3×S]
其中，W1、W2、W3为权重，本文分别取为0.7、0.2 和0.1。
设计变量的灵敏度分析
1．正交试验方案
防撞护舷的消能能力受到护舷板厚度、玻璃纤维芯柱直径以及内部消能板位置的影响，直接通过理论计算得到结构参量非常复杂，通过数值模拟会计算很多次也难以确定，影响设计效率。而通过正交试验来选取厚度参数、玻璃纤维芯柱直径参数和消能板位置参数，可以有效减少试验次数，提高设计效率。本文设定护舷板厚度和玻璃纤维芯柱直径取值相同，均以厚度参数表示。根据计算和生产实际情况，确定正交试验为2因子3水平，如表2所示。
根据试验因子个数和试验水平个数，选择正交表拟定试验方案，具体如表3所示，OB作为正交试验的评价指标。
2．灵敏度分析
根据表3的正交试验方案进行有限元数值模拟，将结果导出计算OB值，并将3个水平的均值极差填入表3。可以看到，厚度参数极差值几乎是位置参数极差值的3倍，表明厚度参数对防撞护舷性能的灵敏性，远高于位置参数的灵敏性。
若单以最大碰撞力Fmax、护舷变形大小S或船舶吸收能量E为正交方案的评价指标，根据模拟结果数据获得的极差结果如表4所示。
显然，厚度参数极差值均大于位置参数极差值，再次表明了厚度参数对防撞护舷性能的灵敏性高于位置参数。
基于Isigh平台对防撞护舷的结构优化设计
通过正交试验计算分析结果可以看出，厚度参数和位置参数对防撞护舷的防撞效果有一定的影响。根据正交试验结果的望小原则，可选取较好的位置参数Φ2000mm为结构的最优参数，而对厚度参数运用ANSYS/LS-DYNA与Isight 集成优化平台相结合的方法再次进行优化。
设定厚度参数中玻璃纤维芯柱直径D、护舷内外板厚度T为优化设计变量，参数空间扩大为2mm≤D≤6mm， 2 m m ≤ T ≤ 6 m m ； 约束条件为船桥碰撞最大碰撞力Fmax≤15.82MN，防撞护舷的最大变形量S≤2500mm，以避免船穿透防撞护舷与桥墩相撞；评价指标OB为优化目标值。优化设计变量初始值选用4mm。
通过Isight优化平台对参数进行探索，利用梯度算法寻找空间极值，可以获得变量与目标值三维空间分布图
通过计算与分析，得到如下结论：
1.由于碰撞的强非线性特性，比例缩尺模型虽然不能直接反映实际碰撞过程，但可以通过相同工况的缩尺模型试验与有限元计算结果对比，获得复合材料防撞护舷的单元类型、材料属性等的选择原则，为获得相对精确的实际结构防撞护舷有限元模型提供依据。
2.通过正交试验法对防撞护舷的消能板厚度、芯柱直径及消能板位置等变量进行灵敏度分析，发现消能板位置的灵敏度较低，可以在优化设计过程中不作为设计变量， 而取Φ2000mm为结构的最优参数，从而有效缩小了优化过程中设计变量的个数及取值范围。
3.在正交试验法的基础上，通过ANSYS/LS-DYNA和Isight平台相结合的优化设计方法，获得圆环形复合材料防撞护舷的结构参数最优值为D=2.5mm、T=2mm。在该工况下，最大碰撞力6.63MN，远小于碰撞力许用值15.82MN， 防撞护舷的变性能为总能量的85.53%，撞深为1.25m。显示了圆环形复合材料具有较好的结构形式，能有效地保护桥梁和船舶的安全。复合材料防撞护舷的优化设计，为防撞护舷最优结构参数的合理选取提供了更加快速、准确的方法。
