一种等效的数值模型以及一种适用于增强型蜂窝复合材料的现成设计方法，用于船舶碰撞防护装置

《COMPOSITE STRUCTURES》：An equivalent numerical model and ready-to-use design approach for grid enhanced honeycomb composite in vessel collision fender

桥梁防撞装置设计及金属蜂窝结构等效模拟方法研究。通过修改MAT_126材料模型实现非单轴应力状态下的蜂窝结构高效仿真，结合准静态压缩与动态冲击实验验证方法有效性，提出融合等效模拟与能量碰撞安全评估的加速设计流程，为高能吸收桥梁防撞装置开发提供新方法。

　　

Jiefu Liu|Kangpei Meng|Ziping Lei|Feng Gao|Hao Di|Chengxing Yang

中南大学极端流动与能源前沿科学中心，中国湖南长沙

部分内容摘要

问题描述

随着全球船舶与桥梁碰撞事故的逐渐增加，对高性能桥墩防撞装置的需求变得越来越迫切（见图1）。由于其较高的比能量吸收能力和成熟的制造工艺，金属六角蜂窝结构在工程碰撞安全防护领域得到了广泛应用。与钢制护舷板或复合材料缓冲系统等主流方案相比，基于铝蜂窝结构的防撞装置具有明显优势。

MAT_126模型的改进

在固体等效模型方面，LS-DYNA提供了两种可选模型MAT_26和MAT_126用于蜂窝能量吸收材料的模拟[25]，这两种模型都能描述压缩过程中孔隙的变化及由此产生的力学性能变化，并且相比壳体单元模型具有更高的计算效率。模型所需的参数相对明确，包括相对密度、各向异性的弹性模量等。

基于等效模型的设计过程

首先，我们可以如下阐述护舷板的设计思路。通常，护舷板的设计基于最严重的正面碰撞情景，例如船头与桥墩的碰撞。此外，防止船首与桥墩直接接触以降低次生危害也是护舷板设计的重要目标，如图5(a)所示。由于船舶与护舷板的吃水深度不同而导致的相对位置关系（见图5(a)），需要考虑这些因素。

结论

本研究通过修改现有本构模型，开发了一种适用于金属蜂窝结构非轴向应力状态的固体等效模拟方法。该方法的准确性通过准静态压缩实验和动态冲击实验得到了验证。通过集成等效模拟和基于能量的抗撞性评估，实现了桥梁桥墩防撞护舷板的快速设计流程。一些主要结论如下：

作者贡献声明

Jiefu Liu：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、数据可视化、调研、资金筹集、概念构思。Kangpei Meng：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源协调、项目管理、方法论制定。Ziping Lei：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、验证、软件开发、方法论制定。Feng Gao：监督工作、资源协调、项目管理、资金筹集。Hao Di：监督工作、资源协调、方法论制定、调研、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（52402438）、湖南省自然科学基金（2024JJ6515）、长沙市自然科学基金（kq2402220）、中国铁路设计集团有限公司重大项目（2022A02480004）、中国国家自然科学基金（52302460、12402457）、湖南省自然科学基金（2023JJ20074）以及国家重点实验室开放项目的资助。