碰撞分析（精选12篇）
碰撞分析 篇1
摘要：油管碰撞噪声是油管厂首要噪声源, 危害极大, 国内外尚无较好的解决办法。通过分析油管在管桥上的滚动特性, 弄清了管桥架坡度设置的科学依据, 找出油管碰撞噪音的根源和规律, 并以此为理论基础, 指导研制油管防撞装置, 对油管在管桥架上的滚动进行强制约束, 避免油管之间发生碰撞, 同时, 实现油管强制排列到位, 成功解决了油管碰撞噪音问题。
关键词：油管,碰撞,噪声,治理
油管在管桥上滚动时经常发生激烈碰撞, 产生巨大的噪音, 是油管厂首要工业噪音, 危害最大。治理油管厂工业噪声, 首先就需要解决油管碰撞问题。
1 油管在管桥上的运动分析
1.1 油管滚动
油管在生产或修复过程中, 往往需要在生产线间来回转运。目前, 这个过程都是通过一定坡度的管桥架, 靠油管自身重力实现油管滚动的。实际生产中, 由于油管为圆柱结构, 在管桥上发生滑动前就已经开始了自动滚动。
在没有外部动力的情况下, φ62mm油管在管桥上正常滚动时仅需要1.6/100的坡度, 而且油管发生滚动所需的坡度, 随着油管半径的增大而减小。也就是说油管直径越大, 发生滚动所需的坡度越小。
实际上, 管桥架与油管之间的摩擦力的大小与油管滚动速度密切相关, 滚动速度越快摩擦力越小, 滚动越容易。
以上是单根油管在管桥架上的运动分析, 实际工作中, 由于管桥上往往存放一定数量的油管, 当前边的油管移走后, 后边的油管则需要从静止重新启动, 当与后面的油管相互接触时, 油管滚动需要克服相互的摩擦力。油管相互的摩擦力与油管表面洁净程度有关, 表面越干净, 油管之间摩擦系数越小, 滚动越容易;当摩擦力较大时 (油管表面有油污, 相互粘连) , 油管就很难滚动。
1.2 油管滑动
当油管相互挤压, 不能滚动时, 油管移动需要下滑, 下滑产生的条件, 如图1所示。
油管要实现从管桥上A点到B点滑动, 主要受管桥倾斜角α的影响, 其发生相对滑动的起始条件必须满足:
G·sinα>μN
N= G·cosα
G·sinα>μ·G·cosα
即, undefined为滑动摩擦静摩擦因数, 取 μ = 0.15)
又因为undefined (管桥架坡度)
undefined
得到:当管桥架坡度大于15/100时, 管桥上油管便可发生向下滑动。
1.3 油管碰撞
油管在管桥上滚动过程中, 势能逐步转化为动能, 速度越来越快, 当遇到前面的油管或挡块时, 就会发生激烈碰撞, 如图2所示。
由于油管属于刚性管状体, 油管之间的碰撞可以视为完全弹性碰撞, 碰撞时, 油管具有的动能几乎全部转化为噪声。
忽略管桥架摩擦力, 根据能量守恒定律, 碰撞时油管的动能由油管的势能转化而来, 即:
E=mg (H+h)
由公式可以看出, 油管碰撞的激烈程度与气缸起升高度h以及油管滚动落差H相关。即:
(1) 油管起升高度越高, 其初势能越大, 碰撞越剧烈;
(2) 管桥架坡度越大, 油管滚动落差越大, 碰撞越剧烈;
(3) 管桥架存放油管越少, 油管滚过的落差越大, 碰撞越剧烈。
1.4 碰撞与噪声
实际工作中, 油管势能的转化率受到很多因素影响, 如, 管桥架坡度的大小, 管桥与油管的接触面积, 油管的洁净度以及滚道的平整度等。
所以, 油管碰撞噪声, 表现为油管最终动能的释放。即, 碰撞的激烈程度与油管碰撞时的瞬间速度呈一定的函数关系。
根据现场实测 (距离碰撞点50cm用噪声仪测量峰值) , 油管之间碰撞噪声峰值在75～126dB之间。油管碰撞噪声峰值与油管滚动速度关系, 如图3所示。
由图3可以看出:
(1) 油管滚动速度在0.1m/s以内时, 几乎没有碰撞, 噪声在75dB以下;
(2) 油管滚动速度在0.1～0.6m/s范围内碰撞噪声变化最大, 在80～120dB之间;
(3) 当油管滚动速度在0.7m/s以上时, 油管碰撞噪声达到126dB, 油管滚动速度继续增大, 碰撞噪声变化很小。
也就是说:只有将油管滚动速度控制在0.1m/s以内, 才能有效控制油管碰撞噪声。
2 碰撞噪声与自动传输的矛盾
由于油管正常滚动所需的坡度较小, 而从静止启动所需的坡度较大, 两者之间形成一对矛盾, 主要因为:
1) 坡度大, 作业线落差增大, 碰撞加剧, 油管之间相互挤压严重, 油管起升难度加大;
2) 坡度小, 油管从静止启动困难, 滚动不到位, 无法实现自动化生产。
基于以上原因, 实际生产中往往采用5/100～10/100之间的坡度, 管桥架越长, 采用的坡度越小。
3 油管碰撞噪声治理方案
3.1 思路
结合油管厂生产实际, 必须开发一种简单、耐用、双向作用的油管防撞排列装置, 强制约束油管在管桥上的滚动过程, 避免油管之间发生碰撞, 同时实现油管强制排列到位, 从而降低油管厂噪音, 为油管在生产线上实现自动化传输奠定基础。
3.2 防撞原理及模型的建立
通过广泛的调研, 从“V”型挡块的工作原理得到启发, 制定了“V”型传输链油管传递装置的构思, 其结构模型, 如图4所示。
工作原理为:专门设计的链条采用 “V”型卡爪作为挡块, 运行时, 油管被卡爪阻隔, 防止油管碰撞, 当遇到前面油管时, 卡爪旋转, 避让油管, 遇到链轮, 卡爪被链轮重新顶出, 进入下一次循环。在此过程中链条起到带动和传递的作用, 对油管滚动全程控制, 不仅能解决油管碰撞问题, 而且确保了油管在管桥架上排列到位。
4 油管防撞装置研制
4.1 传动链选定
要安装和带动“V”型卡爪, 实现规定的动作, 专用链条必须满足正常传动和卡爪自由转动两个要求。链条需要有一定的强度, 足够挡住油管, 吸收油管滚动的冲击力;也要有一定的宽度, 对卡爪的摆动进行支撑, 避免链条扭曲变形。根据以上要求, 选用特殊设计的链条, 如图5所示。
4.2 “V”型卡爪设计
防撞装置能否发挥作用, “V”型卡爪的设计是关键。卡爪立起时, 过低, 不能挡住油管, 起不到防撞作用;过高, 遇到前面油管时, 卡爪不能自由倒下, 影响链条正常运动。通过电脑反复演示和认真计算, 最终设计“V”型卡爪, 如图6所示。
4.3 传动参数选择
由于防撞装置正向阻止油管滚动, 为负载荷;反向排列油管所需带动力小于50N (坡度为15/100时的实测数据) , 因此, 动力选择主要是根据输送速度要求, 配合链轮直径, 选择减速机速比。通过现场测试实验, 油管在管桥上滚动速度控制在0.1m/s以内, 即可防止油管发生剧烈碰撞。
4.4 结构设计
(1) 链条:
包括专用传输链和“V”型卡爪。卡爪均匀分布在链条上, 为单个的组件结构, 方便维修更换。
(2) 链盒:
包括链盒导轨、定位销和连接板等。链盒通过定位销和连接板联成一个整体, 形成完整的链条导轨, 同时增加结构强度, 方便维修。
(3) 主动部分:
采用双轴承座悬臂支撑链轮, 增强抗扭性能, 确保使用寿命。
(4) 从动部分:
采用链轮中间轴承支撑, 卡入式结构, 张紧采用千斤坠, 方便安装调整。
(5) 减速机部分:
减速机直接安装主动链轮, 悬臂支撑, 螺拴加盖板锁紧。
(6) 传动轴部分:
刚性传动轴, 为便于拆卸和定位, 一端采用法兰盘连接, 一端采用滑键套连接。
5 效果验证
5.1 防撞, 降噪效果明显
安装地点管桥架长4m, 落差0.3m。安装前油管碰撞噪声120dB, 最高峰值126dB, 工作环境相当恶劣。安装后, 油管滚动速度控制在0.08m/s, 油管碰撞噪声几乎可以忽略, 设备系统噪声76dB, 达到了国家规定的生产要求。
5.2 强制排管到位, 实现自动化
安装前, 该岗位需要两名职工对油管滚动进行控制, 工作环境差, 劳动强度大。安装后, 由于装置的强制排管功能, 保障了气缸动作的准确, 实现了全自动化, 无须工人现场控制。
5.3 对管桥坡度要求小
由于装置的强制排管功能, 使得油管移动对坡度的要求进一步降低。不仅可以减小落差, 缩短气缸工作行程, 还可以减少冲击, 延长设备使用寿命。
5.4 整体式结构, 美观安全
链盒与导轨, 导轨与支架均采用整体式设计, 既保障了使用安全, 又显得美观大方, 整体感强, 便于维修保养。
6 结论
油管在管桥架上自由滚动, 必然会造成碰撞噪声大或滚动不到位两个不可调和的问题。要解决这两个问题, 必须通过专用装置, 对油管移动过程进行全程控制。在此提出的油管防撞装置, 巧妙的运用“V”型卡爪, 强制约束油管在管桥上的滚动过程, 避免油管之间发生碰撞, 同时实现油管强制排列到位, 解决了油管防撞和强制排管两个难题。
参考文献
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碰撞分析 篇2
超弹性碰撞实验最佳工作条件分析
超弹性碰撞演示实验是灵活运用大学物理知识的典型实验,本文对其最佳工作条件进行了分析,研究表明,当大球和小球的质量比为3时可以达到最佳的实验效果.
作 者：路峻岭 汪荣宝 LU Jun-ling WANG Rong-bao 作者单位：清华大学,物理系,北京,100084 刊 名：大学物理 PKU英文刊名：COLLEGE PHYSICS 年，卷(期)： 24(10) 分类号：O313.4 关键词：超弹性碰撞 动量守恒 能量守恒反转螺旋形结构碰撞特性分析 篇3
现代汽车的前纵梁大都采用矩形截面的直梁的结构，这种结构在碰撞过程中能产生较为理想的变形。不同形状的直梁件可以有如图1所示的5种截面，这些截面都具有相同的周边长，但是碰撞特性却大不相同。
2、同段同截面反转螺旋形结构碰撞分析
在本文中，我们取周长相同、长度相同但截面形状不同的薄壁直梁进行分析。材料选择45号钢，厚度为1mm，网格边长取5mm，旋转角度取15度，薄壁直梁长度取400mm，所选择的材料都相同，本文通过分析不同截面形状的吸能情况，进而得出哪个截面形状吸能特性更好。
下图2为上面五种截面反转螺旋型薄壁管件的网格划分结果。
以下是第7.3ms时的薄壁管件碰撞变形图，可以发现正方形、正五边形截面薄壁管材已经有不规则变形的趋势，而其他的截面形状均为“手风琴”式的对称褶皱变形模式。
通过计算分析碰撞过程中薄壁吸能管件的能量变化、碰撞刚体加速度变化曲线，可以对薄壁吸能管件的吸能效果作出分析判断，并对薄壁吸能管件的吸能特性有初步理解。图4为不同截面薄壁吸能管件计算统计结果。
初步的仿真过程显示，与其他截面的薄壁管件相比，正方形、正五边形截面薄壁管件在较大的碰撞能量下更易发生欧拉弯曲变形，造成吸能效果的明显恶化。虽然此次仿真计算结果表明正六边形截面薄壁管件能够在碰撞过程中吸收较多的能量，但是，由于仿真过程中存在着较大的沙漏能差别（正六边形截面薄壁管件的沙漏能是正方形截面薄壁管件的三倍之多），所以这一结果有待进一步验证。
3、同段不同截面反转螺旋形结构碰撞分析
以上的都是对于同段同截面的薄壁管件的碰撞分析，我们下面分析的是同段不同截面的比较。
（1）截面边数都为偶数
正方形对正六边形组合、正方形对正八边形组合和正六边形对正八边形组合的六种模型。材料参数与前文一致，网格边长5mm，刚性墙以15m/s的初始速度对薄壁直梁进行碰撞。
下图是各个螺旋型管件模型在8ms时的变形对比图，从图5中可以看出正方形对正六边形六边形在外的薄壁梁发生了明显的变形，没有起到较大吸能的作用，而其他模型都发生了规则的“手风琴”式的褶皱变形，吸收了碰撞时较大的能量。
下图6为不同模型薄壁管件吸能统计结果。
分析仿真结果，与其他薄壁管件相比，只有正方形对正六边形六边形在外的薄壁管件在较大的碰撞能量下发生了欧拉弯曲变形，造成吸能效果的明显恶化。分析图6的吸能柱形图，其他的模型吸能效果相当，但总体来看吸能效果都不及同段同截面的理想。
（b）截面边数为奇偶数组合
为了证实上面的结论：同段不同截面形状吸能效果不及同段同截面。我们又针对奇偶组合的同段不同截面的正方形對正五边形组合和正五边形对正六边形组合的四种情况作了一次分析比较。
下图是各个螺旋型管件模型在8ms时的变形对比图，明显可以看出，四种模型都很容易的发生了欧拉弯曲变形，吸能效果都不是很理想。表8的吸能柱形图也说明，此类模型的吸能效果都不理想。
4、不同旋角反转螺旋形结构碰撞分析
为了能够更好的研究旋转角度与碰撞吸能的关系，本文对正方形截面的反转螺旋形薄壁梁结构分别设置2°、5°、8°、15°和45°五种旋角，网格边长为5mm，刚性墙仍以15m/S的初始速度对薄壁直梁进行碰撞。下图是各个不同旋角的螺旋型管件模型在9.2ms时的变形对比图，从图中可以看出旋角为15°和45°的薄壁梁发生了明显的变形，没有起到较大吸能的作用，而旋角较小的如2°、5°和8°都发生了规则“手风琴”式的褶皱变形，吸收了碰撞时较大的能量。
分析仿真结果，与其他旋角的薄壁管件相比，15°和45°旋角的薄壁管件在较大的碰撞能量下更易发生欧拉弯曲变形，造成吸能效果的明显恶化。分析图10的吸能柱形图，较小的角度吸收的能量较大，而至于最佳的角度，还得根据不同的截面作进一步的仿真分析。
5、结论
本文主要通过对同段不同截面、同段同截面、不同旋角的薄壁梁碰撞性能的比较，得出了不同条件下的吸能特性，为研究碰撞吸能设计人员提供了参考依据。
（作者单位：聊城大学东昌学院机电工程系）
作者简介
高速远程滑坡块体碰撞动量分析 篇4
1 理论分析
将滑体分割成块体进行研究, 特别是滑体在下滑冲击碰撞过程中破碎后, 其颗粒间紧密联系又相互碰撞的过程, 在滑面上符合动量守恒定律。其简化的模型为两颗球间的碰撞, 球i与i+1的质量分别是与, 球颗粒撞击前的速度为与, 撞击后速度改变为与。
由于球颗粒之间的碰撞模式不是完全的弹性碰撞, 也不是完全的非弹性碰撞, 特别是高速远程滑坡现实或模拟中, 颗粒球的变形模量不只有弹性模量, 而且碰撞过程中颗粒间存在一定的粘滞阻尼, 因此, 这种碰撞介于完全弹性碰撞与完全非弹性碰撞之间。碰撞存在恢复系数, 当=1时, 颗粒间实现了完全的能量传递, 速度发生了置换, 符合完全弹性碰撞;当=0时, 颗粒在碰撞后, 速度一致, 可以理解为两颗粒黏合到一起, 共同运动, 为完全非弹性碰撞。
高速远程滑坡滑坡体在破碎运动过程中, 作为滑体主体物质组成的岩石体之间的碰撞, 很明显不能够达到完全弹性碰撞的理想状态, 也不会像粘土质滑坡一样, 滑体完整性很好, 因此高速远程滑坡滑体运动过程块体间的碰撞形式一定介于完全弹性碰撞与完全非弹性碰撞之间。
2 PFC3D数值模拟分析
PFC3D (Particle Flow Code in 3 Dimensions) 也称之为二维的颗粒流程序[4], 它的核心就是离散颗粒离散单元法。通过对颗粒单元的运动过程以及相互之间的接触作用力研究, 来得到颗粒的特性。PFC3D的应用十分广泛, 起初主要应用于散体介质, 在研究散体介质细观力学特征基础之上, 将散体介质的力学响应从物理问题上面转化到数学问题上。这样的话, 一个真实的物理问题就简单的被数学领域中抽象的数值代替。通过设计单元的几何形状, 用合适的接触本构模型替代颗粒间相互作用力, 确定相应的边界条件和应力平衡状态, 就可以得到与颗粒宏观力学特性一致的细观参数[5]。
将上述动量理论模型代入到PFC3D进行数值模拟, 数值模型以ID=1与ID=2的球体ball来模拟碰撞球体i与i+1, 滑面通过墙体wall来模拟。所用模拟参数如下:球颗粒半径为1m, 球1初速度为V1=1m/s, 球2为V2=0m/s, 法向及切向刚度为1e8MPa, 球间的摩擦系数为0, 法向临界阻尼为0.36。
当球1与球2处于碰撞的临界点, 此时的速度曲线显示的是设置的初速度, 分别为V1=1m/s, V2=0m/s。两颗球体发生碰撞后, 由于球2的速度大于球1, , 此时球2已经与球1拉开了一定距离, 此时速度曲线显示球1的速度为U1=0.4m/s, 球2的速度为U2=0.6m/s。V1、V2、U1、U2之间的关系符合公式 (1) , 即V1+V2=U1+U2。将各数值代入到公式 (2) 中, 则此时碰撞的恢复系数K=0.2。
数值模拟实验能够模拟完全弹性碰撞模式, 模拟实验中得出的恢复系数K并不是等于1, 而是0.2, 是因为在模拟参数中将法向阻尼系数赋值为0.36, 。PFC3D软件, 通过切向和法向的粘性阻尼系数来表现粘滞阻尼, 粘滞阻尼主要用以模拟颗粒和颗粒之间或颗粒和墙体之间, 因塑性碰撞而损失的能量。在本次模拟实验中, 由于只有两个球体碰撞, 而且是法向碰撞, 因此球体只被赋值了法向临界阻尼系数, 从能量上分析, 刚体碰撞的阻尼能等于碰撞前后损失的动能, 因此阻尼系数与恢复系数有一定的关系。为了验证阻尼系数与恢复系数之间的关系, 只有一组数据显然是不够的, 现设置十组法向阻尼系数进行模拟实验, 其他参数不变, 以获取相对应的恢复系数。
从实验结果可以明显的看出, 颗粒间的法向阻尼系数与颗粒间碰撞的恢复系数具有明显的非线性反比例关系, 并且当法向阻尼系数达到0.6时, 恢复系数K开始趋近于0。从颗粒间的碰撞模式分析, 当法向阻尼系数为0时, 恢复系数K为1, 碰撞形式为完全弹性碰撞;当法向阻尼系数为0.6时, 恢复系数K值趋近0, 碰撞形式无限接近于完全非弹性碰撞, 到0.7时已完全成为完全非弹性碰撞模式。颗粒的法向阻尼系数与碰撞模式有着明显的对应。对于岩石恢复系数测量, 章广成等[6]通过高速摄像机和ANSYS软件做出了较为精确的测定, 并指出当地面为基岩裸露面时, 法向碰撞恢复系数为0.6~0.8, 切向碰撞恢复系数为0.0~0.3;为碎屑堆积层时, 法向碰撞恢复系数为0.4~0.6, 切向碰撞恢复系数约为0.6。且切向恢复系数与随着入射角的降低而升高。从法向阻尼系数对应的法向恢复系数分析, 以岩石为主要物质组成的高速远程滑坡, 其运动过程中, 颗粒块石间的法向阻尼系数在0.1-0.2之间, 而这一区间上的其岩石块体之间的碰撞模式很接近完全弹性碰撞, 是处于对块体间碰撞速度传递非常有利的区间。正是这种块石体之间良好的碰撞模式, 使速度的衰减过程变慢, 可以看做是滑体在一定的速度范围运动时间T的延长, 由速度与距离的基本公式S=VT可知, 滑体的运动距离S更长。由此通过块体间动量守恒理论, 可以作为解释高速远程滑坡远距离运动的动力原因。
3 结论
动量理论解释了岩石块体之间碰撞后速度分配更利于滑坡体保持高速度运动的原因, 根据动量理论得出的恢复系数与法向粘滞阻尼系数的关系, 有恢复系数与法向粘滞阻尼系数的曲线关系图, 再结合岩石固有的恢复系数, 得出岩石体碰撞时具有较小的粘滞阻尼, 物体间碰撞时粘滞阻尼越小, 则碰撞形式越接近完全弹性碰撞, 物体碰撞后传递速度越彻底, 越有利于物体的运动速度保持。
参考文献
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[5]曾远.土体破坏细观机理及颗粒流数值[D].同济大学, 2006.
碰撞分析 篇5
摘要：《孙子从美国来》讲述的是野生动物研究员杨栋梁因对藏羚羊的研究，与女友爱华和她的孩子布斯回到老家，期间他与爱华前赴西藏将布斯托付给皮影戏艺人父亲杨树德，爷孙俩在接下来的日子里经历了许多文化造成的隔阂与真情带来的欢乐。最终布斯从对中国文化的抵触拒绝转为理解接受，中美两国的家庭习惯有较大差异，前者注重家庭的集体性，后者注重个体的独立性；但是两者对于孩子的爱护与尊重，对于家庭和谐的珍惜与追求是相同的，这也就促成了跨国家庭的构成，最终一家人在老家过春节其乐融融。
关键词：《孙子从美国来》 家庭 文化 心理学
布斯是爱华在美国与前夫的孩子，自小在美国社会环境中成长，但由于母亲的工作与中国相关就读于中文双语学校，对于中国有依稀的了解但并未在中国真正生活过，在异国他乡初来乍到既有惊慌也有好奇，他的生活经历是折射中美家庭传统的碰撞的镜子。
电影的主角是爷爷杨树德和孙子布斯，爷爷代表的是中国的传统家庭价值观和中国传统文化，孙子代表的是美国的家庭价值观和西方文化，我们将从角色和其行为对他们的文化与背后的价值观进行文化心理学视野下的分析。
传统的老手艺人——爷爷杨树德
爷爷杨树德是一个乡间的皮影传承人，生活习惯与思维方式都是中国传统的，因此当儿子杨栋梁回家告诉他爱华丧偶和带着布斯时，整个眼睛都眯起来，连声说着“你真是把祖宗的脸都丢尽了，娶了个带拖油瓶的寡妇”；传统中国文化中提倡父母之命，媒妁之言，婚姻不由当事人自己做主；同时在择偶方面极力追求门当户对，以求经济条件相匹配以免今后家庭习惯中相冲突。因此，爷爷在知道儿子的亲事后感到恼怒，因为他的婚姻选择首先是先斩后奏，木已成舟后的通报而不是事前的请求许可；其次，在婚姻的标准上，按照传统的择偶观念显然是条件不匹配，男方还没有结过婚但女方已经是二婚还有孩子。从爷爷老杨头的话语里可以看出，传统中国人在婚姻和家庭的选择上是集体主义的，儿女的婚姻与他们所在的原生家庭密切相关的，私守终生不被家庭和社会所认可。而儿子的选择则表现的是美国社会的婚姻家庭选择方式，那里更强调个人主义，成年人享有恋爱自由和婚姻自由，同时他们也必须为自己的婚姻和家庭负责，经济条件不能限制人们的婚姻选择。
在家庭里的教育方式上，爷爷老杨头一开始采取的是类似“棍棒教育”的严加管教，在布斯多次的反抗下逐步转为了尊重与理解。例如，布斯坚决不吃方便面，牛肉汤，执意要求牛奶和鸡蛋。老杨头气得直接拿起了扫帚，“我还治不了你了？”，但毫无作用。拿起扫帚的动作暗示老杨头曾经的对孩子的教育方式也是如此，习惯成自然，中国传统家庭的教育方面强调服从性和规矩性，在儒家思想中就有“君君臣臣，父父子子”，尊卑有序的规则强调；而且在家庭社会观念上又有“天地君亲师”，老杨头把自己真正带入到了布斯的爷爷的角色，认为布斯也应该和中国小孩一样遵守中国的传统家庭价值观，所以会和以往夫子拿起戒尺一样拿起扫帚。
在事件的归因和孩子培养的方向方面，传统中国家庭观注重于情境归因和培养依赖型自我的人。例如，布斯爬树看鸟窝，不慎摔了下来，弄得头和腿都擦伤了。老杨头的责备中“你们国家是怎么教育的啊？”把布斯在他眼中的种种不守规矩的行为归因于国家教育的不合格，把责任归结于社会环境上而不是布斯本人上。同时他在给布斯上药时，不忘念叨“你这样我怎么跟你妈交代啊。”，老杨头更注重的是家庭内的责任和关系，不能把照看孩子的差事办砸了；他并没有积极引导布斯或者鼓励布斯注意安全等，孩子的本身的权利在他的眼中是不及家庭的和谐的。
在让步与妥协方面，东方文化表现的更为委婉含蓄，表面的厌恶与愤怒并不代表内心同样的想法，很有可能是心里想着完全相反的作法。老杨头在面对布斯的不合心意的行为经常一副怒容，但其实他的内心是深深爱着这个洋孙子的。在布斯强烈要求要买下蜘蛛侠的头套时，老杨头因为价格过贵一心想拉着布斯离开，“咱不要这。”，但在布斯抢着要进商店时虽然表情上一脸厌烦，但还是掏钱把布斯心爱的蜘蛛侠头套买了下来。老杨头脸上的不情愿甚至拒绝是他曾经教育方式的习惯使然，中国传统文化强调节俭与克制，重视家庭关系过于个体，他希望以此教育布斯顾及家庭经济条件；但在为了加强与布斯的情感关系的目标下，他在实际行为中选择了妥协，默默地给布斯买下了头套。
然而，在对孩子的关爱和生活照顾方面，中国文化和美国文化的目标都是一致的，追求给孩子以安全感与幸福感，这也是爷爷老杨头改变与孙子相处方式的根源。从一开始说教，棍棒，斥责转为之后的约定，相携都展现了老杨头的对于美国文化中的个体主义的理解与尊重。例如，老杨头在追逐布斯的过程中将他的心爱的蜘蛛侠玩偶踩坏，按照以往的习惯他必定会大加斥责“布斯，你为啥把玩具放在这啊，不能乱拿乱放。”但随着和布斯的朝夕相处的时间变长，他也逐渐理解和尊重了孙子的生活方式，在白天演完皮影戏后夜里连夜把蜘蛛侠的皮影玩具做好，一笔一画都按照原先的玩偶。老杨头放下自己作为家长的权威，勇敢承担自己的过失并积极弥补，这不仅仅是因为对布斯的关爱，其实也是他从内心里把过失归因于自己，并尝试在和孙子相处时适应个体主义的生活方式。
开放独立的孙子——布斯
布斯自小在美国长大，尽管在学校学了中文，但仅仅只限于语言方面，在日常的生活方面接触的中国元素其实是很少的。
来到传统的中国家庭生活，爷爷老杨头的一些习惯让他很不适应；例如，作为传统中国家庭的父母，查看孩子的玩具是件很平常的事，不需要经过孩子的允许。但在美国家庭里，孩子从小培养具有很强的自我意识，属于孩子的东西父母要查看必须要经过允许。老杨头拿起布斯的蜘蛛侠玩偶时，布斯马上跳下来制止“不许动，这是我的。”，这表明美国家庭中孩子和父母的关系是作为独立个体相互尊重的，与中国家庭中孩子和父母是作为一体相互依赖无法分割的有很大不同。
同时美国社会提倡自由和平等，布斯自小就接受人人平等的思想，要求和爷爷相处时能互相尊重，平等相待。因此，在爷爷做的早饭没有牛奶和鸡蛋时拒绝吃饭，老杨头气得自己吃早饭并斥责“咋那么多事啊。”，布斯就做出了代表单挑的手势，并作势要拿起书包离家出走。这些举动表明布斯有很强的自我权利意识，要求家长尊重自己的生活习惯；同时也表现出美国的家庭文化具有很强的感性特点，布斯内心的愤怒直接就通过行为发泄出来，并不会向中国的孩子一样会考虑父母的感受；个人的情绪只为自己负责，表达自己的意愿，展现的是深刻的个体主义的色彩；而且，从布斯的养父杨栋梁的留下书信中可以看出中美的家庭文化的对撞：“布斯有时候任性，脾气大。”从中国人的角度而言美国孩子的极强个体意识被视为任性，他们不会像中国人一样关乎周围的亲人的感受，美国人将个体视为主体，中国人将个体以及亲密关系的个体组成的团体作为主体。
在人身权利方面，美国家庭反对对孩子体罚，而一般中国家庭却不反对，有些甚至支持。影片中，老杨头因为布斯没经过允许玩了他心爱的皮影道具，气得要拿扫帚好好管教布斯；正逢王站长来送合同，布斯拼命尖叫企图呼救。这一片段反映布斯把体罚视为对自己生命安全的侵犯，而老杨头作为传统中国家长内心秉持的是“无有规矩，不成方圆；棍棒地下出孝子；亲子同心。”，认为体罚是保证孩子服从和遵守家庭规则的必要方式；而且布斯的呼救行为表明在美国社会家庭暴力被视为一种对社会的侵犯，需要请求社会外界力量的干预来制止，家庭与家庭以及家庭与社会的联系非常紧密。在中国文化中，往往强调“家丑不可外扬”，“亲亲相隐”，家庭追求的是关系的和谐，孩子需要服从父母，体罚作为一种不是很好的教育方式也能够允许，社会对此也承认接纳。
布斯强烈的自我意识不仅仅体现在于自我权利的诉求，还体现在他的勇敢的责任担当。一次掏鸟窝布斯不小心摔下来，擦伤了脸和腿，爷爷老杨头上药的时候，他都是忍住疼，即便被斥责为“咋不飞上天。”他也没有反驳而是选择接受。
接受自己过失的后果，在中国文化中视为男子汉气概，在美国文化中视为理所当然。最终布斯和老杨头约定春节一起吃饭，拉勾立约，而儿子告诉老杨头准备和爱华分手后，布斯成功说服父母复合真的春节团圆。在侧面这反映了美国文化里契约精神是很重要的部分，同中国文化中的千金一诺有异曲同工之妙。
碰撞与融合美国的家庭文化与中国的家庭文化最大的差异在于前者注重于个体的快乐与幸福，后者注重于家庭关系的和谐。美国家庭中孩子也是有自我权利的和家长平等的个体，教育方式上家长也必须尊重孩子的内心感受，社会的培养目标是独立自主的个体。中国家庭中孩子视为父母的一部分，俗话说“父母的心头肉”,孩子并不视为具有独立人格的个体，孩子需要服从家庭和社会的要求，父母在教育方式上可以忽略孩子的感受。中国的家庭文化有浓厚的集体主义色彩，往往强调家庭的幸福和谐的目标，反对个人的享乐，“独乐乐不如众乐乐”。
两者也有相近的价值共通地带，美国社会和中国社会都强调保持良好的家庭关系和人际关系，相互尊重。比如美国基督教传统中“人是主神之下的弟兄姊妹”，“爱你的弟兄。”都是提倡互敬互爱，中国传统文化中“己所不欲，勿施于人”，“己欲立而立人，己欲达而达人。”也是如此。从而尽管生活习惯与价值观的分歧并没有让老杨头和布斯相互对立，而是在共同的价值地带上相互尊重，相互理解，达成生活中的和谐家庭关系。
两国的家庭文化与价值观的偏向之处有所不同，但老杨头和布斯的相处经历为不同文化的和谐融合作出了一个典范。
参考文献
汽车保险杠碰撞的有限元分析 篇6
关键词：保险杠；碰撞；有限元
中图分类号：F407 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）18-0061-02
1 概述
在科学技术日益发达的今天，人们的代步工具已发生了巨大的改变。在我国，现如今汽车已经走进了千家万户。汽车的安全性能就成为了大家非常关注的话题。所以如何提高汽车在碰撞过程中的耐撞性和尽可能地减少乘客的伤亡将成为我国汽车安全性研究的重要话题。国外对整车碰撞模拟的研究经过二十多年的发展，积累了大量的经验，也制定了相应的标准和规范。而我国在整车的碰撞模拟研究才刚刚起步，相应的标准和规范也还没有建立起来，涉及到的一些技术问题也还没解决。本文就是对简易保险杠进行碰撞模拟分析，从而来探讨了从结构设计方面提高汽车保险杠的耐撞性的有效途径。
2 用ANSYS软件画出保险杠的简易模型
模型由两部分组成：一个是保险杠，一个是支架。这两部分是通过焊接而相连的。考虑到保险杠外形是曲面，在ANSYS中不易建立模型，所以简易成平面的，便于计算。
3 建立汽车保险杠的有限元模型
由于保险杠是由薄壁板制成，所以整个模型选用薄壳单元（Shell63）进行网格划分。网格划分后的模型如图2所示。单元划分应尽量避免小单元，因为这样会大大减小时间步长，增加求解时间。也应避免夹角单元和翘曲的壳，这将降低结果精度。
本保险杠材料采用了40Cr，弹性模量E=210GPa，泊松比为0.3。
4 进行模拟碰撞，施加载荷
5 进行计算，并求出结果
最大应力SEQV=0.14E+10Pa
最小应力SEQV=0Pa
最大位移USUM=0.002548m
最小位移USUM=0m
6 分析结论与设想
6.1 通过以上的分析计算，可得如下结论
（1）保险杠的尺寸越大，保险杠的变形就越大。（2）保险杠的重量越轻，则保险杠的变形就越大。（3）保险杠的支架强度必须要与保险杠匹配，有限元分析表明保险杠体产生一定的塑性变形的同时，保险杠支架也开始形成塑性区，合理地加强支架的强度有利于提高保险杠系统对碰撞能量的吸收。大家都知道保险杠之所以能保护乘客的安全，就在于保险杠不仅耐撞，还在于在汽车发生撞击时，保险杠发生了变形，保险杠吸收了撞击时的大部分能量。所以，我们要保证保险杠既耐撞还要变形大。
由以上结论（1）可知，保险杠尺寸越大，变形越大，可是，汽车的宽度是有限的，不能无限制地增大尺寸。并且，保险杠与车体之间的间隙距离也是有限的，不能容下太大的变形。由结论（2）可知，保险杠的重量越轻，则保险杠的变形越大。可保险杠的材料也不能过分消减，否则，会使保险杠的刚度和强度减弱，反而使汽车乘客更加危险。故只能在材料上下功夫了，我们可以选用缓冲材料、合理的设计缓冲结构来有效地提高保险杠系统的耐撞性。
本文的分析并没有考虑网格密度对计算结果的影响，应当是变形越大的部位，网格划分得越细；变形越小的部位，网格划分得越粗，这样不仅可以减少计算时间，同时得到的数据可以满足要求。本文就是先对简易保险杠进行简单的有限元分析，然后通过计算结果来总结出结论，最后根据这些结论来重新设计保险杠的结构。
6.2 设想
由于保险杠与汽车车体之间的间隙距离是有限的，不能容下太大的变形，从而限制了有些缓冲材料的使用。为了使保险杠得到更大的变形，从而吸收更大的能量，可以从改进保险杠与汽车车体之间的间隙距离来着手。
具体措施就是设计一款能随时改变保险杠与汽车车体之间间隙距离的新型保险杠。其工作原理就是：当汽车遇到险情时，启动装置，保险杠瞬间向前弹出一定长度，并卡在装有压缩弹簧的装置上，使伸出的保险杠先接触撞击物。撞击时产生的巨大冲击力在压缩弹簧的作用下，得到有效吸收和缓解，同时保险杠还能获得更大的变形空间。这种装置的最大優点就在于，汽车在发生碰撞时，保险杠具有弹性缓冲作用，使得碰撞的冲击力大大减弱后再传给汽车底梁，防撞效果好，结构简单，不仅能吸收更多的能量，更大在于能有效地减少汽车撞击时的振动，从而保障人及车体安全。
在启动这一装置的方法上，目前设想为手动和自动两种。手动是指在方向盘上的某个部位设计一个按钮，当驾驶者意识到险情时，先启动装置，伸出保险杠。此种方法比较适用特殊环境和特种车型上。特殊环境是指：大雾天气、冰雪路面、黑夜等。自动启动是指：在刹车系统上安装保险丝，当遇到险情时，驾驶者常常踏死刹车踏板，当持续踏死一定秒数时（秒数可自定），连接保险丝后，启动该装置。
参考文献
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三维物体碰撞检测包围盒算法分析 篇7
包围盒算法是目前三维交互软件中常用的碰撞检测算法, 其优点是能够实现快速碰撞检测。在这里最具代表性的就是AABB算法和OBB算法。
1.1轴平行包围盒AABB 算法
AABB (Axis-Aligned Bounding Box) 是进行碰撞检测的三维几何体的外接平行六面体, 它的每条边都平行于坐标轴。因此描述一个AABB包围盒只需要六个标量, 在构造AABB时, 要沿着物体的局部坐标系的轴向进行构造。故由AA BB构造的包围盒具有一致的方向。图1给出了一个使用AABB包围盒的例子, 它可以很简单确定包围盒的尺寸, AABB内的任意一点P (x, y, z) 都需满足:
xmin≤x≤xmax;
ymin≤y≤ymax;
zmin≤z≤zmax;
其中xmin和xmax是对象在三维场景中x方向上的最小和最大值;ymin和ymax是y方向的最小和最大值;zmin和zmax是z方向的最小和最大值。
从AABB包围盒的构造过程分析, 它的优点有以下几点:
(1) 构造难度低。因为只需分别计算物体各个元素顶点的x、y、z坐标的最大值和最小值, 如果一个顶点的个数为n, 只需6n次比较运算。
(2) 存储量很小。只需6个浮点数。
(3) 相交测试复杂度低。由于立方体有六个面, 所以只需在xy、xz、yz 三个面投影两个物体6个面, 故只需计算6次即可。
(4) 变形物体碰撞适用度较大。与OBB算法相比其缺点是紧密性较差, 尤其是对具有凹凸面的多面体, 用AABB将留下很大空隙, 导致大量的冗余包围盒相交测试。
1.2任意方向包围盒OBB算法
OBB (Oriented Bounding Box) 是最贴近三维几何体的平行六面体。其最大的特点是方向的任意性, 这使得它可以根据三维对象的形状来包围该对象。虽然该算法实现复杂, 但不会对场景的运行速度产生很大的影响。它的计算相对复杂, 需要对包围盒的方向、中心位置、尺寸分别进行计算。其中, 中心位置和方向是用均值和协方差矩阵统计量来计算的。尺寸是通过位置和方向两个量进行计算。需要进行碰撞检测的几何体是由很多三角形面片组成, 设三角形集的第i个三角形的顶点矢量为pi、qi和ri组成的包围盒包围对象的三角面片数为n, 则包围盒的中心位置m为:
undefined
协方差矩阵元素Cjk:
undefined协方差矩阵Cjk的三个特征向量是正交的, 规范化后可以作为一个基底, 用于确定OBB方向。分别计算物体所包含的各个元素的顶点在该基底的三个轴上投影的最大值和最小值, 以确定该OBB大小。如图2OBB包围盒:
从OBB包围盒的构造过程分析, 它主要得优点是紧密性好, 因为其方向的任意性, 可根据被包围对象的形状尽可能紧密地包围对象;物体在旋转时包围盒更新计算量小。当几何对象发生旋转运动后, 只要对OBB的基底进行同样的旋转即可。因此比较适用于刚体的碰撞。其缺点是构造难度大, 构造给定物体的OBB 的计算复杂;存储量相对于AABB较大, 存储一个OBB需要15个浮点数。如果两个OBB包围盒在一条轴线上的投影不重叠, 那么可以判定这两个包围盒不相交;两个OBB的相交测试最多需要15次比较运算、60次加减运算、81次乘法运算和24次绝对值运算;变形体碰撞适用度小, 当几何体对象发生旋转运动后, 只要对OBB的基底进行同样的旋转即可。因此适用于刚体的碰撞检测。
通过对AABB算法和OBB算法的分析比较 (表1) 可知, 在三维场景中可以根据不同类型三维物体使用适当算法去进行碰撞检测。
2算法改进
对于虚拟场景中某段时间内的不活跃模型, 如果采用OBB相交判断算法检测它们之间是否相交, 会浪费很多时间。为了提高虚拟场景碰撞检测的实时性能, 可以按照AABB和OBB的优点对场景中的对象进行分类, 即将碰撞检测分为两个阶段进行:第一阶段用简单的AABB算法排除不可能相交的模型对, 第二阶段运用OBB算法对未被排除并且在该时间活跃的模型对进行精确的OBB相交判断。其流程如图3所示。
2.1AABB相交对的计算
因为AABB的三边与该几何对象的局部坐标轴分别平行, 所以两个AABB包围盒相交当且仅当它们在三个坐标轴的投影都相交。
传统的AABB算法在物体发生碰撞时, 对所有的AABB两两进行相交判断, 这样将会浪费很多计算时间。一般而言, 模型的空间位置以及模型间的空间位置关系在连续的两次检测之间变化不会很大, 因此AABB相交对的集合在两次检测之间的变化也不会很大。那么可以在计算AABB相交对时利用缓冲区中上次计算结果, 将会节省很多计算时间。
组织2条链表, 一条链表存储由AABB算法计算发生碰撞的一对几何体, 其节点的数据结构如下:
Struct AABBNode
{
几何对象1;
几何对象2;
几何对象发生碰撞的次数;
}
几何对象1:主要存储对象1的AABB包围盒在x、 y、z轴上的最小坐标和最大坐标。
几何对象2:主要存储对象2的AABB包围盒在x、 y、z轴上的最小坐标和最大坐标。
其结构体如下:
Struct Item
{
Float Xmin,
Float Xmax,
Float Ymin,
Float Ymax,
Float Zmin,
Float Zmax
}
几何对象发生碰撞的次数:其作用是为了防止缓冲区过大, 采用最近最少使用算法将碰撞频率最低的几何体从链表中删除。
2.2OBB相交对的计算
相对于AABB缓冲链表来说, OBB的缓冲链表的设计要复杂些。在三维场景中, 通常在帧和帧之间都会有很强的关联性, 这就意味着虚拟环境中物体从一帧变化到另一帧时是相对静止的。假设新的碰撞总是会在上一次碰撞的多边形处发生, 那么应该把上次碰撞的相关信息存入缓冲区供当前碰撞检测使用。
该链表节点的数据结构如下:
Struct OBBNode
{
几何体信息1,
几何体信息2,
碰撞时几何信息
}
其中几何体信息1、几何体信息2是存放运动物体的几何信息。
碰撞时的几何信息包含两个几何体发生碰撞时三角形的信息、标志物体是否发生过碰撞的逻辑变量、标志该几何信息是否被反问过、时间标识。其数据结构如下:
Struct 碰撞几何信息
{
发生碰撞的位置 (三角形位置) ,
BoolbCollide, //是否发生了碰撞
BoolbUse, //碰撞几何信息是否使用过
DateDtime //发生碰撞的时间
}
每当需要检测该物体的碰撞情况时, 系统先检测该物体的碰撞几何信息字段中存放的三角形的碰撞情况, 如果发生碰撞, 则直接将结果返回;如果没有发生碰撞, 那么该缓冲区中的三角形此时也未发生碰撞, 此时需要重新检测该物体的方向包围盒, 如果新的碰撞发生, 那么将发生碰撞的三角形的几何信息返回给系统, 并将缓冲区几何信息字段中的所有值全部更新。
2.3实验结果
试验采用VC基于OpenGL实现以上改进算法。试验用例为10个球体、4个墙壁和一个地面。在物体与墙壁或者是地面发生碰撞, 则建立AABB包围盒并将碰撞几何体存入AABB缓冲链表, 当球体和球体进行碰撞时, 则建立OBB包围盒, 将碰撞的球体以及碰撞的几何信息存入到OBB缓冲链表中。
改进前与改进后的碰撞检测算法所用时间的平均值如图4所示。由图4可见, 改进后的算法在效率上优于传统的算法, 时间减少大约10%。
碰撞的效果如图5所示, 虽然在三维场景中运动的球体比较多, 但是程序能够准确判断球体之间和球体与墙壁和地面所发生的碰撞。
3结语
高墩曲线桥梁地震碰撞响应分析 篇8
1 全桥动力模型
本文采用结构有限元分析软件ANSYS中的三维空间杆系单元建立全桥模型。以便进行地震碰撞响应的分析研究。结合曲线梁各构件的受力性能, 采用的单元类型为:主梁和桥墩都选用beam189三维梁单元来模拟;临联间的伸缩缝处选用接触单元combin40来模拟碰撞效应;支座皆选用板式橡胶支座, 将其用水平线弹簧combin14模拟, 两跨梁段和联间位置皆设置抗扭转支座;不考虑地震动下桩-土间的相互作用, 作墩底固结处理。为重点分析研究地震动作用下两联间伸缩缝位置处发生的碰撞响应, 以工程D曲线匝道桥梁为背景, 取其相邻两联建立动力模型。模型尺寸均为 (4×26m第一联) + (桥墩伸缩缝) + (2×26m第2联) ;墩高分别采用20m、40m、60 m对比分析, 曲率半径分别采用400m、200m和100m进行对比研究, 伸缩缝间隙宽度分别取0cm、2cm。
利用Ansys建立的模型如图1所示。
1.1 碰撞模型
选用接触单元法中的Kelvin单元模拟碰撞。强烈地震动下, 结构的运动受力状态在不断变化着, 采用下式描述模型反应状态及其恢复力大小, 其组成及恢复力特性如图2所示。
当u1-u2-gp<0, 未发生碰撞;当u1-u2-gp≥0, 发生碰撞作用;gp为伸缩缝的初始间距;kk指碰撞弹簧刚度, 参考以有城市桥碰撞方面的研究kk随着梁体间碰撞速度不同而不断变化。
1.2 上部结构模型
采用BEAM189梁体单元对主梁结构进行模拟, 主要参数值:主梁弹性模量取为30 000 MPa, 密度取为2 500kg/m3, 泊松比取为0.167, 阻尼比为0.05。
1.3 支座模型
两联高墩曲线桥支座布置形式如图3所示。
支座上布置固定支座时, 能有效限制切向振动;抗扭支座上布置固定支座能有效限制径向振动和扭转振动。本文采用弹簧单元, 模拟板式橡胶支座。
板式橡胶支座的滞回曲线为狭长型, 近似以线性处理。水平剪切刚度,
式中:G为剪切模量大小, 一般取1 200kN/m2, A为支座剪切面积, ∑t为所有橡胶片厚度之和。则支座GYZ (900×207) 中K=5.1×106 N/m。
1.4 墩柱模型
墩柱选用空间梁单元进行模拟, 需注意的是单元的划分要恰当, 这是因为单元的划分决定着堆积质量的分布, 进而决定振型的形状和地震惯性力的分布。本文墩柱采用BEAM189单元模拟。此单元能模拟纵向、侧向的弯曲变形以及分析扭转作用的稳定性。
2 地震波的选取和输入方式
计算时选择输入两种实际的强烈地震的记录数据和一个人工地震波, 并按0.4g调整其地震加速度峰值, 如图4~图6所示。
由于曲线桥梁并没有固定不变的X向与Y向, 本文约定各桥墩处的约束沿其切线方向是X向 (即顺桥方向) , 与之相应的外径向方向是Y向 (也即横桥方向) 。分别用所选波按纵向来输入, 均采用一致激励输入。运用上述所选的3组地震波, 均分别沿纵向输入, 得出3种地震动的输入工况, 以此来进行地震响应的研究分析。
3 桥梁碰撞响应影响因素分析
通过对上述各种模型的动力时程分析, 得出:由图7~图8得到:如若考虑碰撞的影响, 则缝处位移峰值明显增大, 但与其他位置处支座位移的峰值进行比较仍然偏小。
3.1 墩高变化对地震碰撞的影响
墩高变化对地震碰撞如图9所示。
高墩不稳定, 但较柔性, 就对墩本身而言, 对结构抗震有利。但还需考虑墩高对碰撞响应的影响, 进而综合判断墩高变化对整个结构的利弊。分别取墩高为20m、40m、60m模拟, 结果如表1所示。由此看出:随着墩高的不断增高, 碰撞力及碰撞次数均有所增大。
3.2 曲率变化对地震碰撞的影响
仍采用上述3种波沿桥纵向输入, 分别取R=100m和R=400m, 伸缩缝为0.02m进行模拟, 得出的数据如表2所示。
从图10和数据表2可以看出, 曲线桥的曲率半径越小, 越容易发生碰撞, 碰撞次数越多, 但产生的碰撞力越小, 即碰撞次数会增加, 而碰撞强度会减小。
3.3 临梁周期比对碰撞的影响分析
由图11给出邻梁周期比与邻梁碰撞距离d关系的变化曲线。由图11可以看出:邻梁碰撞距离呈先增大后减小的变化规律。在一定范围内随着伸缩缝两侧临梁周期比的增大, 碰撞越容易发生。当两边梁体自振周期相同时, 碰撞则最不容易发生。因此, 可通过避免伸缩缝两侧结构差异过大, 防止碰撞发生。
3.4 伸缩缝宽度对碰撞的影响
为了研究碰撞效应的响应值随伸缩缝宽度的变化, 采用伸缩缝宽度为0cm和2cm进行研究, 分析其相应的动力响应。结果如图12~13所示。
对比图12不同间隙宽度的地震响应结果可知:当伸缩缝宽度从0~2cm变化时, 宽度越大, 梁体间发生碰撞的次数减小, 而产生的碰撞力值越大。
总之, 考虑碰撞作用时, 间隙越小, 桥墩产生的位移及内力越小, 并且碰撞力值也越小, 单次碰撞破坏力减弱, 但会增加碰撞次数, 从而导致梁端局部发生破坏, 应采用有效的防碰撞措施加以避免。伸缩缝宽度较大时, 碰撞发生的概率和次数有所减少, 但桥墩的内力和位移响应增大。综上所述, 间隙宽度通常取一个较合理的中间值。
4 结束语
通过对考虑伸缩缝位置处碰撞效应进行动力时程分析, 得出:
1) 在不考虑桥台作用时, 碰撞次数较少, 但是碰撞力仍然相当大;
2) 碰撞效应受输入地震波的频谱特性的影响;
3) 随着墩高的增加, 碰撞力及碰撞次数均有所增大, 即墩高越高越易发生碰撞作用, 且产生的碰撞力也越大;
4) 曲线桥的曲率半径越小, 越容易发生碰撞, 即碰撞次数越多, 但产生的碰撞力却越小;
5) 伸缩缝间隙越小, 产生的碰撞力越小, 但会增加碰撞次数;
6) 两边梁体自振周期相同时, 碰撞最不容易发生, 一定范围内, 两边梁体自振特性相差越大, 发生碰撞的可能性就越大;
7) 在最不利曲率半径60 m以90°最不利输入角度输入地震波下, 当伸缩缝两侧周期比约5时, 最可能发生碰撞作用, 此时为碰撞最易发生的最不利情况。
参考文献
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碰撞防护系统分析及铁路应用设计 篇9
在我国轮轨交通领域,中国列车控制系统CTCS(Chinese Train Control System)和自动列车控制ATC(Automatic Train Control)虽然能够最大程度地提高运行效率并保障运营安全,但都是通过轨旁和车载设备监控列车运行,采集列车运行状态信息传递给调度管理控制中心,并由控制中心向列车传达特殊的行车指令MA(Movement Authority)。当调度中心功能失调,车地通信不畅时,仍无法彻底避免列车碰撞事故。2011年,我国轨道交通领域发生了两起重大事故———“7.23”甬温线动车追尾事故和“9.27”上海地铁10号线列车追尾事故,碰撞防护技术在轨道交通领域的应用由此成为关注和研究热点。
碰撞防护系统CAS(Collision Avoidance System)是防止交通工具发生碰撞的系统,其在海事、航空和公路交通领域都已经应用。但在轨道交通领域,德国航空航天中心DLR(German Aerospace Center)从2006年开始对于铁路碰撞防护系统进行研究[2,3]。
借鉴海事、航空和公路交通领域碰撞防护系统的思想,充分考虑我国铁路列车控制系统的分级特点,提出了可叠加在CTCS之上的安全叠加系统———列车碰撞防护系统CAS-T(Collision Avoidance System for Train)的概念,设计了系统架构并对比分析CAS-T的两种工作模式。
1 传统碰撞防护系统
CAS是实现交通工具间直接通信方式,通过交互各自位置和运行姿态信息,并能对可能发生的碰撞进行预警的系统。国内外的学者在海事、航空、公路交通领域分别针对舰艇、飞机和汽车防撞系统的相关算法和关键技术都开展了大量的研究工作,并取得了丰硕的研究成果。
1.1 舰艇防撞系统
海事交通领域的自动识别系统AIS(Automatic Identification System)以自组织时分多址为核心技术,传输包括船舶识别、船舶运动参数、船舶静态及与航行和安全相关信息,支持优于当前雷达性能的船舶监视和船船及船岸间短信息通信,为船舶避碰和航行提供辅助决策[4]。
AIS监视策略如图1所示[5],AIS电台基于自身数据连接流量和其他电台的未来动向,决定自己占用的传输时隙。每个AIS电台的位置报告信息填入每分钟2250个时隙中的一个。为防止传输时隙重叠,AIS电台需持续地进行同步。
1.2 飞机防撞系统
广播式自动相关监视ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)主要实施空对空监视,一般情况下,只需机载电子设备(GPS接收机、数据链收发机及其天线、驾驶舱冲突信息显示器),不需要任何地面辅助设备即可完成相关功能。装备了ADS-B的飞机可通过数据链广播其自身的精确位置和其他数据(如速度、高度及飞机是否转弯、爬升或下降等)。ADS-B接收机与空管系统、其他飞机的机载ADS-B结合起来,在空地都能提供精确、实时的冲突信息[6]。
ADS-B系统由多地面站和机载站构成,以网状、多点对多点方式完成数据双向通信。机载ADS-B通信设备广播来自机载信息处理单元收集到的导航信息,接收其他飞机和地面的广播信息后经过处理送给机舱综合信息显示器。机舱综合信息显示器根据收集到的其他飞机和地面的ADS-B信息、机载雷达信息、导航信息后给飞行员提供飞机周围的态势信息和其他附加信息(如:冲突告警信息,避碰策略,气象信息)。ADS-B的监视策略如图2所示。
1.3 汽车防撞系统
公路交通领域的车载防撞系统为车车通信C2C(Car to Car)旨在通过多种信号采集系统发现危险情况,并发出警报,提醒驾驶员采取相应措施有效规避碰撞事故发生,最大限度地保障人、车安全。随着无线通信技术的成熟发展,通过车内(In-Vehicle)、车间V2V(Vehicle to Vehicle)以及车路V2I(Vehicle to Infrastructure)等通信机制,可以收集到更多与行车有关的信息,如车辆状态、交通环境信息等,并进一步将这些信息有效地整合,建立行人、车辆、道路一体的交通运输系统(车路协同系统),从而提高交通运输系统的效率、安全性和可持续性成为世界智能交通领域的研究热点。车车通信协会(C2C-CC)旨在建立一套车间及车路开放的自组网标准,系统结构如图3所示[7]。
2 列车碰撞防护系统设计
为提高运输效率并保障运输安全,我国已经在铁路发展中分级建设中国列车控制系统。借鉴海事、航空和公路交通领域的碰撞防护系统,构建列车碰撞防护系统作为CTCS的安全叠加系统,可有效提高CTCS的安全性。
2.1 中国列车控制系统
CTCS是在借鉴ETCS的基础上,结合我国铁路现状和发展规划,以分级形式满足不同线路运输需求的列车控制系统。系统目的是适应中国既有信号装备现状,实现路网之间互联互通,满足最高速度160~350 km/h列车运行控制需求[8]。CTCS按功能划分为5级,应用等级对照表如表1所示。
在CTCS五级分级中,CTCS-3和CTCS-4采用车地无线通信系统GSM-R,并且已经实现完善的冗余覆盖[9],可有效保证列车安全间隔,但是都面临着过度依赖地面基础设施和调度中心的问题,司机的自主判断功能不足。鉴于2011年的两次列车追尾事故,可以想象:如果借助保证足够通信距离的车车通信,随行列车可以判断前行列车的运行状态,司机也可以判断是否存在碰撞风险,并可以根据实际情况采取有效的规避措施,将能显著提升列车运行安全性能。
作为CTCS的安全叠加系统,CAS-T可以在CTCS-0到CTCS-2级线路上直接作为车载通信设备满足基于车车通信的碰撞防护需要,而在CTCS-3和CTCS-4线路上可作为车地无线通信系统的安全叠加备用系统。
2.2 列车碰撞防护系统
给出CAS-T的基本定义如下:CAS-T是基于车车通信的列车碰撞防护系统,车载设备实时计算自身的位置和移动向量,并将其广播给一定区域内的其他列车,人机接口设备显示一定区域内列车位置信息,车载计算机综合自己位置信息和接收的其他列车位置信息监测碰撞发生的可能性,并给出报警信号和防碰策略建议。
CAS-T是完全基于车载设备的碰撞防护系统,不需要增加额外的地面基础设施。其基本原理借助列车定位信息和车车通信及碰撞防护算法,完成碰撞预警和防护。
要实现铁路碰撞防护的目的,系统应具备如下功能子系统:
(1)定位子系统,通过卫星定位、测速传感器、车载雷达和电涡流传感器等多种组合方式,精确获知列车在线路上的位置,此部分可与CTCS共享。
(2)车车通信子系统:在一定通信覆盖范围内采用半双工或双工模式接收并发送列车位置信息和相关运行姿态信息,诸如:运行速度、运行方向、占用轨道、车辆参数、制动性能等等。
(3)碰撞防护安全计算机CAS-VC(CAS Vital Computer),综合自身位置与邻近列车位置并结合电子地图数据,计算并分析碰撞可能性,能根据碰撞级别给出告警提示和处置建议。
(4)电子地图数据库,为CAS-VC和定位子系统提供地图数据。
(5)人机交互子系统,完成列车数据的输入,碰撞可能发生时给出显示告警提示。
CTCS叠加CAS-T系统结构如图4所示。
2.3 系统工作模式分析
车车通信技术是CAS-T的核心技术。根据CAS-T车载通信单元所选用的通信制式和工作方式的差别,可将CAS-T系统分为半双工模式和双工模式两种。
(1)半双工模式
在此种工作模式下,需要司机去触发系统动作,系统分为正常和告警两种工作状态。
正常状态:列车处于正常运行工作状态时,无线通信单元处于接收状态,无发送数据。
告警状态:当列车处于故障停车或非正常行驶时,由列车司机按故障键后,无线单元周期性发送告警信息,一定范围内的列车接收到该告警信息后进行处理并发出相关告警提示信息(声、光),提示司机进行故障确认,进行减速行驶或停车操作,避免追尾事故的发生。
(2)双工模式
此种工作模式下,系统自动实时地收发列车位置和其他相关信息并进行碰撞可能性的判断。可以保证司机能获得最新的邻近列车的运行姿态,及时提醒司机采取相应动作,用以确保列车运行安全。
表2从5个方面对CAS-T的两种不同工作模式进行对比。在实际部署中,可根据线路运输繁忙程度、单线还是复线、成本预算以及对于实时性要求等多方面进行相应的选择。
CAS-T作为CTCS的安全叠加系统,是一套独立运行的碰撞预警与安全防护系统。它不需要地面基础设施支持,造价成本低,完全基于车载设备和车车间通信,使得司机可以及时获取自身和周边列车最新运行信息,采取合理的措施并有效规避碰撞风险。
本文分析CAS-T的两种工作模式并从信息传输的实时性、通信方式、预警主动性等方面进行了对比。工作于半双工模式的CAS-T实现较简单,但是如果线路行车密度大,则应采用双工通信模式的CAS-T。设计了铁路碰撞防护系统结构图,还需从列车碰撞防护机理、车车通信具体实现技术、低成本高精度的列车定位技术等方面深入研究,构建完善的列车碰撞防护系统,保障我国铁路运输安全。
参考文献
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某轿车侧面碰撞的有限元分析 篇10
在汽车被动安全的研究领域里, 应用比较广泛的理论和计算方法是在20世纪70年代由美国LawrenceLibermore国家重点实验室提出的CAE有限元分析理论。
本文将利用LS-DYNA软件, 对某轿车的侧面碰撞进行模拟仿真计算, 分析结果, 对汽车安全性予以评价, 为进一步的车身改良提出参考意见。
1 C-NCAP碰撞试验方法
1.1 侧撞实验条件
试验方法如图1。
可变形障碍壁碰撞被测车时的速度为是50 km/h。相碰时速度在距离0.5 m处稳定下来。在被测车的驾驶员位置放置1个假人, 从而测量碰撞时驾驶员的受伤害情况[2]。
1.2 侧撞试验的评价指标
评价整车碰撞性能的重要因素是乘员的伤害指标, 却不是唯一的指标。研究人员将车身对驾驶室的保护性能, 即乘员舱结构的刚性也作为汽车碰撞安全性能的另一重要指标。对于这一指标的判定, 通常采用的参数是碰撞过程中乘员舱的侵入量测量值。对于侧面碰撞中, 一般是通过测量B柱的变形情况, 考虑对假人人体各部位的危害程度。B柱变形情况可以由侵入量及侵入速度来考察。B柱各测量点如下图2, 参数目标值如下表1。
2 仿真模型的建立
2.1 整车有限元模型的建立
利用Hypermesh软件在已建立的有限元模型上进行有限元网格划分。为便于求解计算, 模型右侧车门已略去, 换成4根梁代替。对于一些刚性较大、碰撞过程中几乎不变形吸能的零件, 如发动机、变速箱、转向器等部分也予以省略, 计算碰撞时由mass单元取其配重。以10 mm为网格尺寸的基准, 为保证求解速度, 最小单元尺寸不小于3 mm, 建立的车体有限元模型大约有60万个单元。
2.2 移动壁有限元模型的建立
根据法规要求建立了侧面碰撞移动壁障有限元模型, 轴距3000 mm;总质量950 kg;前后轮距宽1500 mm;重心位于前轴后面1000 mm处, 纵向中心垂直平面内10 mm处;模型前部的碰撞体由独立的相互连接着的块组成, 有6个形变单元, 分成两行, 三个一行。所有单元有同样尺寸, 宽度为250 mm, 高度250 mm;上面的一行单元厚度为440 mm下面的一行单元厚度为500 mm;撞击器的材料是蜂窝铝结构[3]。整个碰撞模拟实验模型如图3所示。
2.3 k文件的建立
定义单元, 单元划分时直径小于8 mm的圆孔都忽略, 所有单元的尺寸大小控制在3～10mm的范围之内。定义材料, 一般选用LS-DYNA软件库中的MAT24材料定义车身板金件;采用MAT20材料定义刚体的门锁、铰接等;MAT100号材料定义BEAM单元。定义连接, 采用的连接方式有点焊和线焊。由Nrbody单元模拟。接触定义, 整车自接触—CONTACT AUTOMATIC SINGLE SURFACE;整车与BEAM之间的接触—C O N T AC T T IE D S H E LL E DGE T O SURFACE OFFSET;整车与MDB的接触—CONTACT AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE。
3 结果计算
车辆的碰撞过程一般只有几十毫秒, 该模型计算了碰撞的150 ms响应过程。
从0 ms开始, 移动壁障与车辆开始接触, 在60 ms时车体发生最大变形, 侵入量也达到了最大值, 80 ms时移动壁障基本停止, 车体停止变形, 此后车身结构开始反弹, 100 ms是碰撞基本结束。
如图测量了B柱对应假人各部位以及下端门槛处的侵入量, 并统计出了各点的最大侵入量与最大侵入速度。如图4, 图5所示。
由上表2可知以下几点。
(1) 各点的侵入速度均小于目标值7.5 m/s满足设计要求。
(2) 除门槛处侵入量小于目标值以外其它各部位侵入量都大于目标值, 未满足设计要求。
4 结论
由以上计算结果可知, 该轿车碰撞时会导致驾驶者生存空间不足, 外界侵入速度过快, 存在安全隐患。因此建议更改防撞杆结构并强化B柱结构。
本文采用LS-DY NA软件, 按照C-NCAP侧面碰撞法规建立了某轿车侧碰模型, 进行了CAE仿真计算, 最终提出了该车型结构优化改进建议。该试验车型B柱强度不够, 导致侵入量过大, 驾驶者生存空间不足。建议增加侧面防撞杆强度, 更改B柱结构及强度。
参考文献
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碰撞分析 篇11
关键词：发达国家；公共文化；中国服务体系建设；启示
一、欧美发达国家地区公共文化服务体系综述
当代欧美发达国家的公共文化非常繁荣，美、英、法、德等欧美国家对公共文化的界定是不一样的，各国的情况不尽相同，因此在政策制定和执行理念上都有着很大的区别，展现出不同的特色。
英国对公共文化的理念属于“大文化”的管理理念。在管理体制上，将文化部门、体育部门和新闻等部门合并在一起并通过1998年和2001年颁布的《创意产业报告》将这一制度正式的确立下来。将文化部门、体育部门和新闻等部门规划在创业文化产业类别中，统一进行管理。
美国在文化上的理念非常强势，文化上的主导性使得其产业受威胁的可能性非常小。同时，美国自由开放的国家文化氛围也决定了政府对文化没有直接插手管理，多是采用间接的管理方式。
德国由于历史原因，其民族主义（纳粹运动）曾给世界带来巨大的伤害。在文化管理上和其他国家没什么区别，唯独对民族主义膨胀的思想和行为较为敏感。
和其他一些欧美国家不同，法国在公共文化发展上不太注重市场的作用，因此，在法国也没有“文化产业”这一概念。法国对公共文化的管理主要强调国家的作用。法国的公共文化的管理理念不仅是法国丰富文化传统的展现，同时也展现出法国人民对其文化的高度自信和强烈民族荣誉感的体现。
二、欧美发达国家地区公共文化服务体系对我国服务体系建设的启示
（一）完善公共文化产品及服务的供给机制
根据欧美发达国家对文化领域的投入来看，法国的经验非常值得我们借鉴学习。法国高度发达的文化供给体系虽然在文化普及等领域发挥了巨大的作用，但是在某种程度上造成了文化软实力的短板。中国和法国同样强调国家和政府在文化领域的主导性，因此法国在文化领域上的困境给中国敲响了警钟。
中国在文化领域方面的的发展上，要丰富和完善公共文化产品和服务的供给机制。不但要注重财政的支持，还要注重公共文化的经营收入的控制，因为过度依靠经营性收入，会将公共文化产品和服务的资源用于提供私人服务，会出现不公的现象。因此，政府在公共文化产品领域要注意科学合理供给机制的构建，使得公共文化产品得到健康有序的发展。
（二）合理引导各项资源要素向公共文化领域倾斜
在政策的制定上，要注重政策对信息、技术和知识产权等要素的引导。注重公共文化信息工程的建设，同时在培养公众的主体意识，搭建文化个体之间、文化个体与消费者之间的有效的信息对接机制。利用大数据时代的信息技术的优势，分析消费主体的消费特征和差异性，从而更好的服务大众。这样还能对文化领域的变化做出科学合理的预测，为文化领域的相关厂商和经营企业做出精准的反馈，，使得它们在生产和营销提供可靠的决策依据。除了物质资源的倾斜外，还要注重文化领域知识产权生态环境的维护和建设。
（三）鼓励多元化参与，发挥非政府组织的作用
公共文化服务体系的完善和发展离不开各方的参与和支持，从欧美发达国家的实践经验上看，非政府文化组织在公共文化克服政府主导弊端的层面上发挥着非常重要的作用，丰富了文化领域的资金来源，非政府组织在微观层面上推动政府权力机构职能转变，弥补政府宏观管理和实际操作方面的空白。同时，非政府组织在资源整合和为文化领域多元化发展发挥了巨大的作用。
三、在当前文化碰撞下我国服务体系建设的发展趋势
我国公共文化事业的发展应该从建设、有效利用、队伍培养、资源投入四个方面入手，提高公共文化产品的质量和公共文化服务的能力，为惠民工程提供高效的保障机制。
（一）完善公共文化基础建设，构建公共文化网络
我国公共文化事业的发展和完善需要各级省、市、县、乡（街道）、村（社区）五级行政单位的相互配合，利用先进的科学技术建设覆盖基层、适应我国国情和社会发展的公共文化服务基础建设，构建覆盖城乡的公共文化网络。各级政府要设立专项资金，对公共文化建设薄弱的群艺馆（文化馆）、公共图书馆进行适当补贴，满足当地人民群众的需求。
（二）加强公共文化的规范化管理，努力提高利用率
高效的利用会更好的促进公共文化服务水平的提高。因此，通过规范化的管理，提高公共文化的使用效率既是公共文化事业公益性原则具体体现，同时也是政府问政于民的实实在在的惠民举动。人民群众积极参与到公共文化事业的建设之中。公共图书馆、纪念馆、美术馆、博物馆、文化馆（站）和爱国主义教育基地等多元化的公共文化服务项目，对满足人民群众的精神文化需求发挥着巨大的作用。提高公共文化服务的使用效率还要注重广泛开展群众文化活动，丰富文化生活，打造活动品牌。最后，要强化公共文化建设与服务的宣传。利用各种资源扩大宣传，创造良好的公共文化社会氛圍，让人民群众充分了解公共文化服务，进而使得公共文化产品和服务发挥更好的作用，提高公共文化产品和服务的利用率。
（三）注重人才培养，为公共文化服务体系注入活力
公共文化产品和服务的提升，加强人才培养和管理，是公共文化事业进一步的发展基础。培养一支专业的公共文化的人才队伍，不仅能够更好的促进公共文化产品和服务的发展，同时还为公共文化事业注入活力。建设一支符合我国国情和公共文化服务事业的人才队伍，首先要从体制上强化对现有公共文化从业人员的培训力度，进一步加大对优秀人员的选拔和任用力度，在现有的人才基础上建设一支素质优良、结构合理的公共文化人才服务队伍。为我国公共文化良好运行和文化惠民政策高效实时提供人才保障。同时要扩展渠道，合理利用社会人力资源开展公共文化服务。借鉴英国、美国、德国和法国的公共文化人才培养经验，用更加专业、科学和合理的运用公共文化合作的非政府组织的人力资源，在此基础上，动员事业单位、学校、党政机关和各基层公共文化单位与公共文化单位深入合作，共同培养建设出一批有专业素养和文艺特长的人员为公共文化机构进行全面的支持。最重要的是，要加强文化志愿者的机构体系建设，积极招募文化志愿者，让更多的人参与到公共文化事业的建设中。
总之，公共文化的产品和服务的公益性决定了政府要发挥主体的积极作用，政府要在资源引导和利用方面加大投入，实现公共文化资源的合理高效利用。此外，公共文化事业还应该注重非政府组织和公民的巨大作用，鼓励第三部门在公共文化事业中发挥的积极作用，推动公共文化事业的社会化和市场化等。这些都是欧美发达国家在公共文化的管理和服务领域取得成绩的保障，值得我们在公共文化体系建设中学习和借鉴。
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FPSO串靠外输碰撞风险分析 篇12
关键词：外输碰撞,鱼尾运动,纵荡运动,风险评估
1.0前言
FPSO被广泛地用于浅海、深海和边际油气田的开发, 经处理后的原油定期外输到穿梭油轮然后转运到岸上。FPSO作为颇具优势的海上油气处理设施, 数量不断地增多, 外输作业也越来越频繁, 与此同时, 外输作业安全性备受业内人士和社会的关注。外输作业风险主要包括碰撞、系泊大缆断裂、输油软管破损导致原油泄漏和火灾/爆炸等等, 其中碰撞风险是外输过程中最重要风险之一。
文献[1]通过大量串靠外输碰撞案例研究发现, 大多数碰撞事故是由两船间过大的相对运动引起, 如过分纵荡、鱼尾运动和艏向偏离。外输伊始, FPSO满载吃水较大, 主要受流和波浪作用。此时油轮压载吃水相对较浅, 风作用明显, 而流作用较大。随着外输的进行, FPSO吃水不断变小, 受风的作用将大于受波浪或流的作用。与此同时, 油轮吃水不断变大, 受波浪和流的作用将大于风的作用。当油轮和FPSO之间水动力特性有相当大的差异时, 鱼尾运动是一个主要现象。其可能导致两船距离减小, 增加碰撞发生几率。
另外, 油轮可能会遭遇周期超过15秒的长周期波浪, 结果油轮可能被置于波峰, 如不能提供足够的前后运动阻尼, 会导致其剧烈地纵荡运动。当油轮相对于FPSO前后运动时, FPSO系泊系统却能提供阻尼力抵消部分纵荡运动, 因此FPSO和油轮纵荡运动步调会不一致。最糟糕的是FPSO向后运动, 而此刻油轮向前运动, 会急剧缩减两船距离, 增加碰撞概率。尤其在中国海域乱流现象发生较为频繁, 容易造成两船相对运动过大 (过分纵荡、鱼尾运动) , 进而增加两船发生碰撞的风险。
由此可见, 鱼尾运动和纵荡运动是造成串靠外输碰撞事故发生的主要相对运动。依据终端规则[2结合专家意见, 本文将过分纵荡定义为两船最小间距40m;鱼尾运动定义为两船最大相对角度超过15度。由于系统运动的复杂性, 需一种能预测鱼尾运动和过分纵荡运动事件发生概率, 并找出减少其发生的有效方法。
本文对串靠外输过程中三种典型危险的装载工况和风向突变情况, 在不同风浪流组合下的相对运动做大量时域模拟计算, 将计算结果结合极值理论预测鱼尾运动和过分纵荡运动发生概率, 并分析不同装载、风浪流组合、风向突变和拖轮的使用对鱼尾运动和过分纵荡运动的影响。
2 多浮体运动分析
2.1 多浮体运动研究
目前, 许多学者对FPSO外输系统做了数值模拟研究。如Inoue和Seif[3]首次研究FPSO和旁靠系泊LNG船的运动响应问题, 开发了时域模拟方法。之后, Inoue和Islam[4]进一步综合考虑了FPSO与旁靠LNG船之间的水动力相互作用, 建立了多浮体系统运动和相对运动的频域和时域数值分析方法。Buchner[5]等也发展了FPSO和旁靠LNG船的水动力时域数值模拟程序。Kim[6]等应用线性三维势流理论对FPSO和旁靠LNG船在不同浪向时的相对运动进行了研究。Hong、Inoue和Ali、Kashiwagi[7]等应用高阶边界元法和直接压力积分法对FPSO旁靠的运动进行了研究。
此外, Cedric Morandini[8][9]等利用Ariane软件模拟了外输操作过程, 主要研究了FPSO与穿梭油轮之间相对转角、距离和大缆张力的设计准则。文献[1]等对导致FPSO和动力定位穿梭油轮串靠外输时发生碰撞的相对纵荡和鱼尾运动在某一特定装载工况下进行了时域模拟, 整个模拟过程风向恒定, 并分析了FPSO有无纵荡和艏向控制、穿梭油轮动力定位参考点的选取不同、穿梭油轮有无艏向控制能力等因素对相对纵荡和鱼尾运动发生概率的影响, 认为只要措施合理, 可以将碰撞发生概率控制在很低的水平。
2.2 分析方法
采用基于时域模拟的多浮体锚泊计算方法, 对中国南海某艘FPSO外输作业进行模拟, 分为以下三个步骤:
1) 模拟环境选取外输环境的上限值。
2) 一次外输大约需要十五个小时, 但考虑程序模拟有重复性, 串靠外输模拟时间取三个小时。
3) 三个小时的时域模拟被执行20次, 用不同的随机种子数以产生不同的以时间为序列的风和浪。模拟得到两船纵荡最小间距和最大相对转角, 通过把它们的极值放入相应的统计模型用来分析。如第一类型极值分布, 合适的概率分布模型将被用来评估过分纵荡和鱼尾运动发生概率。
3 过分相对运动概率预测方法
3.1 分析模型
首先介绍次序统计量的概念, 设Xi, i=1, …, n是取自分布函数为F (X) 的总体的一个样本, 将其按大小排列为X (1) ≥X (2) ≥…≥X (n) , 称 (X (1) , …, X (n) ) 为次序统计量。其中X (1) =Max (X (1) , …, X (n) ) , X (n) =Min (X (1) , …, X (n) ) 分别称为样本极大值和样本极小值, 统称为样本极值, 它们的分布称为极值分布。完整的描述极值概念应包含两个层次:即该事件发生的概率很小, 另外该事件的发生对系统有重大扰动影响。极值理论涉及极大值和极小值 (统称为极值) 的极限分布问题。极值分布分为有I型极值 (Gumbel) 、Ⅱ极值型 (Frechet) 、Ⅲ极值型 (Reverse weibull) 三种极值分布。研究极值分布的理论统称为极值理论 (Extreme Value Theory) 。它是概率论的一个重要分支, 主要研究随机样本以及随机过程中极值的概率值以及统计推断。
在自然界与工程领域常有随机极值现象的发生, 人们试图用数学模型对工程领域的设计量进行预测, 便于优化设计。文献[1]认为FPSO与穿梭油轮外输过程中最小间距与最大相对角度服从极值分布。I型极值 (Gumbel) 分布分为I型极大值分布和I型极小值分布。
1) I型极小值分布
设随机变量X服从I型极小值分布, 则其密度函数为
其分布函数为
式中, 茁称为位置参数, 浊称为尺度参数。此分布具有两个分布参数, 其均值和方差分别为
式中, γ为一常数, 称为欧拉常数, γ≈0.5772157。
2) I型极大值分布
设随机变量服从I型极大值分布, 则其密度函数为
相应的分布函数为
称分布参数茁为位置参数, 浊为尺度参数。对于服从I型极大值分布的随机变量x, 其均值和方差分别为
式中, γ为一常数, 称为欧拉常数, γ≈0.5772157。
本文认为两船纵荡运动最小间距值服从I型极小值分布, 最大相对角度服从I型极大值分布, 并使用I型极值概率模型预测过分纵荡运动与鱼尾运动发生概率。分析不同装载工况、风向突变等对纵荡和鱼尾运动的影响。
3.2 I型极值分布验证
设随机变量X服从I型极小值分布, 则其累积概率分布函数为
式中, β称为位置参数, η称为尺度参数。
定义标准化变量:y= (x-β) /η (10)
将 (10) 式代入 (9) 式得:
求出上式的反函数可得y的显式表达式:
由于计算工况较多, 文中选取FPS0半压载-油轮半压载工况下浪向0°、风向10°、流向45°情形的纵荡最小间距值列于表1做验证;将纵荡最小间距值作为统计变量, 从大到小排序, 再用顺序统计的平均排列法计算累积概率, F (y) =1-i/ (1+n) , 计算值列于表1。
利用同样方法验证最大相对角度服从I型极大值分布。文中选取FPS0半压载-油轮半压载工况下浪向0°、风向10°、流向45°情形的相对转角最大值列于表1做验证;将相对转角最大值作为统计变量, 从大到小排序, 再用顺序统计的平均排列法计算累积概率, F (y) =1-i/ (1+n) , 计算值列于表1。
根据表1中数据, 将纵荡最小间距作为横坐标, Y=ln{-ln[1-F (y) ]}值作为纵坐标, 作图如图1;将相对转角最大值作为横坐标, Y=-ln{-ln[F (y) ]}值作为纵坐标, 作图如图2。纵荡最小间距和相对转角最大值数据分布成一直线, 说明其遵循I型极值分布。
4 算例
海洋石油115 FPSO服务于中国南海西江23-1油田, 油田工作水深90米, 船体主要参数见表2。FPSO采用串靠外输方式, 3×3的单点系泊方式定位, 各组系泊线角度为120度, 一组系泊线中的相邻两根系泊线角度为5度, 穿梭油轮与FPSO的间距为60m, 通过一条尼龙大缆与FPSO相连, 如图3所示。
计算环境条件选取外输操作的边际环境条件, 即有义波高3.1m、波浪周期9.65s、风速12m/s、流速0.4m/s。针对以下三种典型装载状况:FPSO满载-外输油轮压载;FPSO半压载-外输油轮半压载;FPSO压载-外输油轮满载。变换风和流方向, 通过两船之间相对位移和相对艏向指标来预测两船过分相对运动发生概率。本文选取以下三种方案:
方案一, 油轮不施加任何辅助措施, 研究风浪流作用下纵荡和鱼尾运动情况;
方案二, 在穿梭油轮尾部施加不同方向大小的拖力, 研究两船纵荡和鱼尾运动情况, 针对每种可能的工况组合, 确定最佳的拖轮施力大小和方向。
方案三, 研究外输过程中风向突变的影响。
4.1 方案一
本方案分析在三种典型装载工况、不同风浪流组合条件下, 油轮不施加任何辅助措施, 两船过分相对运动。大量模拟计算之后, 通过极值理论分析不同装载、风浪流组合对过分纵荡运动和鱼尾运动发生的影响, 结果如图4、图5所示。
从以上两图分析知:
1) FPSO满载-外输油轮压载工况, 在各种典型风浪流组合下过分纵荡发生概率都比较大, 可能是FPSO满载时吃水较大, 受波浪和流作用较大的原因;鱼尾运动发生概率也都比较大。
2) FPSO半压载-外输油轮半压载工况, 纵荡运动稍显缓和, 只是在部分风浪流组合下发生概率不可接受;鱼尾运动发生概率都比较大。
3) FPSO压载-外输油轮满载工况, 纵荡运动比较缓和, 在各种典型的风浪流组合下发生概率很小, 可接受;但鱼尾运动发生概率都比较大, 而且比以前各个装载时刻都严重, 可能是因为穿梭油轮处于满载状态, 吃水较大, 受波浪和流的作用较大的原因。
4) 同时可以看出在流向0°和180°时, 纵荡运动比较剧烈;在流向45°、90°和135°时鱼尾运动比较明显, 此时如遇到风向改变就更加危险。且在中国海域存在乱流现象, 它可能来自各个方向, 应注意观察并及早发现乱流, 以便在出现上述情况时及时采取相应措施预防风险。
4.2 方案二
由方案一知道, 外输过程不使用任何辅助措施, 碰撞概率非常大, 可能会导致人员伤亡、巨大财产损失和环境污染, 必须采取相应措施。中国海域外输油轮都不是动力定位的油轮, 只能使用尾部拖轮辅助外输作业, 以防发生危险。
拖轮如果能及时发现鱼尾运动和纵荡运动, 施加方向合理的拖力可以发挥更大作用, 及时校正油轮艏向。本文通过大量试算工作, 对在外输边际环境条件下不同装载工况、不同典型风浪流组合下拖力施加方向和大小进行优化。优化后的计算结果见图6、7。
从图6、7分析知, 在施加合理的拖力大小和方向情况下, 过分纵荡运动和鱼尾运动得到了有效控制, 也就降低了两船发生碰撞的概率。但观察这三种装载工况下的计算结果, 都存在流向90°时, 鱼尾运动没有得到有效控制的情况, 但如果继续加大拖力或改变拖力方向会使得大缆张力迅速增加, 可能超过最小破断载荷, 说明90°方向来流是比较危险的风浪流组合。同时FPSO满载-外输油轮压载况下, 风向10°、流向45°时鱼尾运动也没有得到有效控制, 其状况和90°方向来流类似。
4.3 方案三
整个外输过程大约会持续十五六个小时, 期间风向可能会发生突然且较大变化, 且是不利的, 需采取相应措施避免其带来的不利影响。
综合考虑每个典型装载工况的持续时间和综合风险水平, 本文主要分析FPSO半压载-外输油轮半压载工况, 且只考虑一开始风向0°情况的风向突变, 计算依然采用外输边际环境条件。分别计算风向改变30°和20°的情况, 结果见图8、9。况下, 发生较大风向突变时 (如30°) 是很危险的, 即使有拖轮辅助作业也不能完全避免风险, 此时应考虑解脱。
由图9分析知, 当风向发生突变较小时 (如20°或更小) 是可以通过拖轮施加合理大小和方向的拖力来保证外输安全的。同时可以看出风向突变对纵荡运动影响不明显。
5 结论
本文计算了穿梭油轮与FPSO外输过程中三个典型装载工况下时域运动, 结合极值理论预测容易导致碰撞发生的两种风险事件的发生概率, 得到以下结论:
1) 三种装载工况中, FPSO压载-外输油轮满载工况最危险。
2) 三个装载工况下纵荡运动相对比较缓和, 流向45°、90°和135°时鱼尾运动比较剧烈, 类似乱流发生时的情形。
3) 外输过程中风向突变对外输作业安全影响较大, 需及时预测并采取相应措施。
4) 在外输边际环境条件或更小海况下, 只要及时施加合理大小和方向的拖轮拖力, 就可避免鱼尾运动和纵荡运动以达到控制碰撞风险的目的。
参考文献
【1】Chen, H.Probabilistic Evaluation of FPSO-Tanker Collision in Tandem Off-loading Operation, Dr.ing Thesis, Department Of Marine Technology, Faculty of Engineering Science and Technology, NT-NU, 2003, Trondheim–Norway
【2】西江23-1油田终端资料和规则手册.中海石油 (中国) 有限公司深圳分公司, 2008.