49 m全回轉(zhuǎn)車客渡船吊臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

李書豐,張曙光

(1.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.上海海事大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，上海 201306)

49 m全回轉(zhuǎn)車客渡船吊臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

李書豐1,張曙光2

(1.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.上海海事大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，上海 201306)

摘要：以某49 m全回轉(zhuǎn)車客渡船為研究對(duì)象，以《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)為依據(jù)，利用有限元方法對(duì)該渡船吊臂及吊臂所在處船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核。計(jì)算結(jié)果表明，吊臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合規(guī)范要求。該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法為同類型船舶在吊臂及吊臂處船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、強(qiáng)度加強(qiáng)提供參考。

關(guān)鍵詞：全回轉(zhuǎn)推進(jìn)；車客渡船；吊臂；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；有限元法

0引言

49 m全回轉(zhuǎn)車客渡船是專用于鎮(zhèn)揚(yáng)汽渡碼頭營(yíng)運(yùn)的長(zhǎng)江車客渡船。該船舶首尾兩端均配置全回轉(zhuǎn)推進(jìn)設(shè)備，可靠泊碼頭，航行時(shí)船舶無需調(diào)頭，汽車上下船舶無需倒車，縮短了擺渡的時(shí)間。在甲板的四角設(shè)吊臂和跳板，便于汽車的開上開下。渡船在航行時(shí)通過設(shè)于吊臂上的液壓油缸，利用鋼絲繩將跳板起吊后緊貼吊臂。如遇大風(fēng)大浪等惡劣航行條件時(shí)會(huì)造成跳板上下跳動(dòng)，從而對(duì)吊臂形成沖擊，此時(shí)吊臂處于最不利載荷狀態(tài)。因此,為保證渡船航行安全，吊臂必須有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。利用有限元對(duì)49 m全回轉(zhuǎn)車客渡船吊臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，優(yōu)化吊臂結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)吊臂所在區(qū)域的主船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，保證船舶正常作業(yè)。

1吊臂結(jié)構(gòu)說明

2許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

(1)根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009) 中11.7.6.2規(guī)定：吊臂結(jié)構(gòu)的許用相當(dāng)應(yīng)力為[σe]=181 MPa。

(2)吊臂下船體支撐結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2014修改通報(bào)) 中14.7.2.5選取，應(yīng)力衡準(zhǔn)表見表1。表中：σe為板單元相當(dāng)應(yīng)力；σz為梁構(gòu)件單元節(jié)點(diǎn)合成應(yīng)力；τ為板或梁構(gòu)件剪切應(yīng)力。

圖1　吊臂跳板裝置示意圖

圖2　吊臂內(nèi)側(cè)壁結(jié)構(gòu)圖

3有限元校核計(jì)算

3.1有限元模型

49 m長(zhǎng)江車客渡船艏、艉及吊臂為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)。模型范圍：縱向從Fr95橫艙壁到船艏；橫向?yàn)檎麄€(gè)船寬。模型甲板、強(qiáng)構(gòu)件腹板采用二維3、4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬，其他縱骨、橫梁以及強(qiáng)構(gòu)件面板等用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M。有限元模型如圖3所示。

表1　應(yīng)力衡準(zhǔn)表

圖3　有限元模型

本模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 179，單元數(shù)為6 335。

模型材料：彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85 t/m3。

3.2坐標(biāo)系

本模型坐標(biāo)系為：X軸指向船首為正；Y軸由原點(diǎn)指向左舷為正；Z軸垂直向上為正。

3.3邊界條件

模型一端面(Fr95橫艙壁)所有節(jié)點(diǎn)上施加ux=uy=uz=0、θy=θz=0約束，另一端面所有節(jié)點(diǎn)上施加uy=uz=0、θy=θz=0約束；一舷實(shí)肋板端部節(jié)點(diǎn)上施加uy=uz=0約束，另一舷實(shí)肋板端部節(jié)點(diǎn)上施加uz=0約束。

3.4受力分析

主跳板、付跳板及附屬構(gòu)件的總質(zhì)量約為21 t，每邊鋼絲繩的拉力約為115 kN。考慮附加沖擊載荷，鋼絲繩拉力增加30%，以150 kN計(jì)算。吊臂作用點(diǎn)受力示意圖如圖4所示。圖中：F為鋼絲繩拉力，F(xiàn)=150 kN；Fx為X軸向分力，F(xiàn)x=150 sin40°=96 kN；Fz為Z軸向分力，F(xiàn)z=150 cos40°=115 kN；Tx為支座X軸向支撐力，Tx=F-Fx=54 kN；Tz為支座Z軸向支撐力，Tz=115 kN。

吊臂受力點(diǎn)施加力為：

<-54 kN, 0 kN, -115 kN>。

3.5計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上所述的計(jì)算載荷和邊界條件，利用有限元分析軟件MSC.Patran、MSC.Nastran得出如圖5所示吊臂結(jié)構(gòu)的相當(dāng)應(yīng)力云圖，其最大應(yīng)力值σe=133 MPa。

有限元分析應(yīng)力結(jié)果匯總見表2。

圖4　吊臂受力示意圖

圖5　吊臂結(jié)構(gòu)相當(dāng)應(yīng)力圖

結(jié)構(gòu)分類應(yīng)力種類許用值/MPa實(shí)際最大值/MPa吊臂σe181133甲板板σe15554船體外板σe15556.2甲板縱桁σz15525.4強(qiáng)橫梁σz17545.3橫艙壁板σe17510.1甲板縱骨σz16570.1肋骨σz18831.4艙壁扶強(qiáng)材σz18865.7板及骨材剪應(yīng)力τ9117.8

通過有限元分析得出的結(jié)果可知：

(1)此吊臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及吊臂所在的主船體結(jié)構(gòu)是滿足規(guī)范要求的,且此計(jì)算施加的載荷是假設(shè)整個(gè)跳板的重量都由吊臂承載。實(shí)船上的主跳板通過鉸鏈與主船體的首(尾)封板連接，主船體對(duì)跳板也有一定支撐作用。

(2)從吊臂結(jié)構(gòu)相當(dāng)應(yīng)力云圖可以看出，吊臂最大相當(dāng)應(yīng)力在內(nèi)側(cè)壁向主船體過渡位置處，此處簡(jiǎn)化模型采用的是折邊形式。實(shí)船上，吊臂懸伸底板圓弧過渡至主船體甲板上可減小應(yīng)力集中。吊臂的上頂板和下底板及扶強(qiáng)材具有一定的安全裕度，從考慮減輕吊臂自身重量出發(fā)，

可將下底板板厚減小至12 mm，適當(dāng)減小扶強(qiáng)材的規(guī)格。上頂板因承載液壓油缸，保留其規(guī)格。車客渡船的甲板結(jié)構(gòu)采用AH36高強(qiáng)度鋼，吊臂也可考慮使用高強(qiáng)度鋼。吊臂的結(jié)構(gòu)規(guī)格可適當(dāng)減小，這樣既控制了自重，又增大了吊臂的安全裕度。

(3)吊臂內(nèi)側(cè)壁對(duì)應(yīng)主甲板下的縱向骨架具有相當(dāng)大的應(yīng)力，因此將吊臂內(nèi)壁與主甲板骨架對(duì)應(yīng)是有必要的(外壁對(duì)應(yīng)主船體舷側(cè))。在進(jìn)行設(shè)計(jì)主船體結(jié)構(gòu)時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)的安全應(yīng)考慮將此處甲板縱骨加強(qiáng)，或調(diào)整主船體縱向骨架，將吊臂內(nèi)側(cè)壁與縱向強(qiáng)構(gòu)件對(duì)應(yīng)。

4保險(xiǎn)措施

當(dāng)船舶在大風(fēng)大浪惡劣條件下航行時(shí)，可采取相應(yīng)措施減小跳板跳動(dòng)對(duì)吊臂的沖擊。

方法1：用插銷通過耳板將跳板與吊臂連接。這種方法需要人力去船兩端不斷地循環(huán)插、拔銷子，對(duì)航行在長(zhǎng)江兩岸，航程約10 min的渡船來說就顯得比較煩瑣。

方法2：應(yīng)用電磁自鎖裝置不定期控制跳板。當(dāng)跳板收起到位時(shí)，該裝置彈出銷軸進(jìn)入吊耳孔；需放下跳板時(shí)，通過電磁力拉動(dòng)銷軸使其與耳板脫離，跳板隨之放下。這種方法減輕了船員的勞動(dòng)強(qiáng)度，但日后該裝置可能需要檢修。另外，用插銷的方法對(duì)耳板、吊臂上的孔精度要求比較高，若跳板在使用后出現(xiàn)變形，會(huì)導(dǎo)致2個(gè)孔對(duì)不上，銷軸插不進(jìn)去，從而失去作用。

方法3：在吊臂前端用一小型油缸驅(qū)動(dòng)吊鉤鉤住跳板上的耳板，這方法不需要較高的配合間隙。

方法1比較麻煩，通常渡船只在惡劣天氣條件下才會(huì)使用，方法2和方法3可在任何通航條件就能方便實(shí)施，且這樣做不僅防止跳板上下跳動(dòng)，還能避免鋼絲繩脫落、耳板斷裂等意外情況造成跳板下落，防止事故發(fā)生。用船單位可根據(jù)自身實(shí)際情況選擇合適的方法，使跳板和吊臂連接在一起，減小惡劣天氣條件下船舶航行時(shí)吊臂所受的載荷。

5 結(jié)語

(1)由有限元計(jì)算結(jié)果表明，吊臂結(jié)構(gòu)在最不利載荷狀態(tài)下是安全的，再通過相應(yīng)保險(xiǎn)措施可減小吊臂所受的沖擊載荷，從而增大吊臂安全系數(shù)。

(2)低矮箱式吊臂跟以往的高起式吊架相比，能使跳板和吊臂貼合在一起，再用保險(xiǎn)銷進(jìn)行固定，避免跳板上下跳動(dòng)造成的沖擊。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[M]. 北京:人民交通出版社,2009.

收稿日期：2015-03-26

作者簡(jiǎn)介：李書豐(1981—)，男，工程師，從事船舶設(shè)計(jì)工作；張曙光(1976—)，男，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事船舶與海洋工程設(shè)計(jì)與建造工作。

中圖分類號(hào)：U661.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A