摘　要：本文从航运安全的角度出发，首先探讨了桥梁防撞结构的设计要点及分类，再运用非线性有限元数值分析方法(LS-DYNA)研究了二维有序多孔材料在准静止状态下受压的力学性能。

　　1.研究背景及意义

　　现代社会船舶与桥梁的安全问题日益严重。据统计，1959~2004年中国船桥碰撞事件共251起，在船桥碰撞引起的桥梁损伤中，桥墩被撞的工况是主要的损伤形式。因此，90年代以来，桥墩防撞结构的分析与设计也日益受到人们的重视。

　　2.桥墩防撞结构的设计要求及其分类

　　2.1设计要求

　　桥墩防撞结构的设计包含多个学科：材料力学，结构力学，流体力学，振动冲击力学等，防撞结构的设计需要综合考虑桥墩自身的材料、结构、尺寸、桥墩的位置、水文状况、通航船舶的类型及航速等。桥墩防撞结构的设计需要满足以下：

　　(1)兼顾航道、水运和桥梁等几方面的利益;

　　(2)满足通航要求;

　　(3)能够适应水位变化;

　　(4)结构和材料要利于吸能;

　　(5)撞后恢复能力强;

　　(6)安装、运输方便;

　　(7)防撞结构的设计不能带来新问题;

　　(8)价格适宜。

　　2.2结构类型

　　桥梁防护结构分为五大类，即：防护板系统、支撑桩系统、系缆桩系统、人工岛或暗礁保护以及浮动保护系统。国内目前讨论的比较多的是钢结构、独立防护桩、群桩和浮体系泊防撞装置。钢结构防撞装置在防撞角度、保护船只、成本等方面有着较大的优势，因此目前国内对钢结构防撞装置的研究与使用较多。

　　3.非线性有限元动态数值仿真分析

　　3.1非线性有限元控制方程

　　对于防撞结构的研究主要有两种方法，一种为试验研究，一种为数值模拟分析。前者在模型制得、试验场地、试验周期、数据获取以及模型与实际的对应关系上存在难以避开的硬伤，因此数值模拟分析是目前主要的研究手段。

　　船舶和桥墩防撞结构碰撞是一个复杂的过程，碰撞区的构件会在很短的时间能产生很大的应力，同时发生屈曲、塑性变形、褶皱等大变形行为。描述这种问题的数值方法有很多，其中最完备、最接近实际情况的要数有限元方法。

　　碰撞问题运动方程为

　　其中，[M]——质量矩阵;[C]——阻尼矩阵;[K]——刚度矩阵;{a}——加速度向量;

　　{v}——速度向量;{s}——位移向量;{}——外力向量

　　离散化的瞬态动力学问题适用于显式直接时域求解法。该方法无需进行矩阵分解或求逆，无需解联立方程组，可通过自动控制时间步长得到较稳定的解同时保证时间积分的精度。ANSYS/LS-DYNA软件程序采用变步长积分法，实际中采用最小有限单元网格特征长度除以应力波速来定义最小时间步长：

　　3.2碰撞中的接触算法

　　如果两个面可能发生接触，则要定义主从面。计算过程中要持续检查从属节点有没有接触主面，如果没有，则计算继续;如果已接触，为了使节点不再穿透，需要在主面上施加一个作用力，即接触力。

　　4.多孔材料数值模拟加载试验

　　4.1多孔材料综述

　　多孔材料以其良好的力、电、热、声性能，被广泛应用于各个领域，有着减重、抗冲击吸能、减振降噪、隔热保温、散热、生物工程等多方面的用途。多孔材料根据其内部结构可大体分为有序结构与无序结构两大类，本文研究的是二维有序多孔材料。

　　4.2多孔材料有限元模型单元及材料模型

　　考虑到多孔材料的构造特性，有限元模型采用SHELL163单元，加载模具采用SOLID164单元，多孔材料模型采用弹塑性线性强化模型，各参数为：

　　杨氏模量 E = 68GPa,屈服应力 密度 泊松比

　　模具材料模型为刚体模型，各参数为：

　　杨氏模量 E = 210GPa 密度 泊松比

　　4.3数值模拟加载试验结果及分析

　　加载试验结果如下：

　　由上图的应力应变曲线可以看到一个有趣的现象，即存在一个应力相对水平段，所对应的应力值称为平台应力;同时多孔材料的变形过程是逐层变形的。这两个性

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