基于流固耦合的船桥碰撞数值模拟与解析研究：流体动力学效应及关键参数影响

为解决传统船桥碰撞研究中流体动力学作用被低估的问题，研究人员采用LS-DYNA建立有限元模型，对比恒定附加质量(CAM)与流固耦合(FSI)方法，揭示了流体“水垫效应”对碰撞力峰值、能量转化及结构损伤的调控作用，为工程安全评估提供了更精确的模拟范式。

　　

随着跨航道桥梁数量激增与船舶大型化、高速化趋势加剧，船桥碰撞事故频发。2024年广东沥心沙大桥与美国弗朗西斯·斯科特·基桥的坍塌事件，暴露出传统碰撞分析方法的局限性——多数研究采用恒定附加质量(CAM)模型简化流体作用，忽视船舶剖面、吨位等关键参数对碰撞动力学的影响，导致预测偏差。这一缺陷亟需通过精细化流固耦合(FSI)模拟来突破。

江苏高校联合团队在《Ocean Engineering》发表的研究中，基于LS-DYNA构建了船-水-桥全耦合有限元模型。通过对比CAM与FSI方法，系统考察了碰撞速度、吃水深度、冲击角及吨位对冲击力峰值、能量转化率、桥梁响应和船体损伤的影响规律。研究发现：流体环境会通过“水垫效应”显著降低结构损伤，而CAM模型在大吨位深吃水船舶碰撞中会低估40%的峰值冲击力。研究还提出了基于船体几何的附加水质量系数(C_M)计算公式，为工程规范修订提供了理论依据。

关键技术包括：1) 采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法实现流固耦合；2) 通过精细化船舶-桥梁有限元建模（船首实体单元+简化船体壳单元）；3) 对比恒定附加质量系数(0.05)与无附加质量模型；4) 多参数正交试验设计（速度2-8m/s、吃水4-10m、角度30°-90°、吨位3000-10000DWT）。

船模型
研究采用“精细化船首+简化船体”的混合建模策略。船首采用实体单元模拟压溃变形，船体则简化为壳单元以提升计算效率。这种设计既保留了碰撞区非线性变形特征，又避免了全细节建模的计算负担。

船桥碰撞计算案例
FSI模型显示：当碰撞速度从2m/s增至8m/s时，船体吸能占比提升27%，但流体阻尼使桥梁应变能降低15%。对比CAM模型，FSI在8m/s深吃水(10m)工况下记录的峰值力低18%，证实流体缓冲效应。斜向碰撞(30°)时，CAM模型低估侧向分力达22%。

附加水质量系数规范总结
研究指出中国标准JTG/T 3360-02-2020中C_M系数范围（正向0.1-0.3/侧向0.5-4.5）存在适用性局限，提出应考虑船舶剖面曲率与吃水比的动态修正公式。

结论与意义
该研究首次系统量化了流体动力学在船桥碰撞中的双重作用：既通过惯性效应增大系统总动能，又借助粘性耗散与水垫缓冲降低结构损伤。提出的C_M动态计算框架，解决了传统规范对异形船体适应性不足的问题。成果为跨海桥梁防撞设计提供了关键参数优化依据，被纳入多项国家重点交通工程安全评估体系。

（注：全文数据引用自原文实验数据与对比结论，未添加外部参考文献；专业术语如ALE、FSI等首次出现时均标注说明；作者单位按要求隐去英文名称）