60 m全回轉(zhuǎn)車(chē)客渡船橋腳的有限元強(qiáng)度分析

張 云，譚慧娟，陳繼康

(1.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400)

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60 m全回轉(zhuǎn)車(chē)客渡船橋腳的有限元強(qiáng)度分析

張 云1，譚慧娟1，陳繼康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.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400)

以某60 m全回轉(zhuǎn)車(chē)客渡船為研究對(duì)象，以《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2016)為設(shè)計(jì)依據(jù)，用有限元方法對(duì)該渡船橋腳結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核。計(jì)算結(jié)果表明，橋腳結(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(lèi)型船舶在橋腳處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、強(qiáng)度加強(qiáng)提供參考。

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)；車(chē)客渡船；橋腳；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；有限元法

0 引言

60 m全回轉(zhuǎn)車(chē)客渡船船型為對(duì)稱、雙頭、單體、單甲板、中機(jī)型、舯橋樓式。該船艏艉兩端均配置全回轉(zhuǎn)推進(jìn)設(shè)備，可靠泊碼頭，航行時(shí)船舶無(wú)需掉頭，汽車(chē)上下船舶無(wú)需倒車(chē)，提高了營(yíng)運(yùn)效率。甲板右舷為主橋腳，橋腳總高5.2 m,分為上下2層。左舷為付橋腳。主付橋腳外舷分別內(nèi)傾100 mm，主橋腳寬1.6 m,付橋腳寬0.45 m。老一代渡船主要以直接計(jì)算求得板材的選用規(guī)格，對(duì)于整個(gè)橋腳的受力分析存在不足。本文研究的60 m全回轉(zhuǎn)車(chē)客渡船采用對(duì)上層建筑的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析的方法，該方法對(duì)同類(lèi)型船舶的橋腳處受力分析、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加強(qiáng)提供校核參考。

1 傳統(tǒng)橋腳的設(shè)計(jì)與計(jì)算

1.1 船體說(shuō)明

1.1.1 船舶主要參數(shù)

總長(zhǎng)(型長(zhǎng))L

60.000 m

型寬B

15.400 m

型深D

3.500 m

設(shè)計(jì)吃水d(A/B級(jí))

2.350 m/2.600 m

航區(qū)

A/B級(jí)

肋距

0.6 m

1.1.2 船體結(jié)構(gòu)

船底中部采用橫骨架式，艏、艉船底部分采用縱骨架式，主機(jī)艙區(qū)每檔設(shè)置實(shí)肋板，其他艙每3檔設(shè)實(shí)肋板，中間設(shè)2道底肋骨。主甲板結(jié)構(gòu)采用縱骨架式，距中1.6 m及距中6.1 m處，共設(shè)4道縱向桁架結(jié)構(gòu)。

1.2 橋腳結(jié)構(gòu)計(jì)算

按照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2016)[1](以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)規(guī)定，實(shí)取：橋腳側(cè)板、端壁圍板厚t=5 mm (側(cè)壁下部為6 mm)。

(1)橋腳甲板橫梁的剖面模數(shù)W按規(guī)范第2.8.1.1條計(jì)算，其公式如下：

W=5cshl2

式中：c為系數(shù)，c=1；s為橫梁間距，s=0.6 m；h為甲板計(jì)算水柱高度，h=0.45 m；l為橫梁跨距，l=2 m。

經(jīng)計(jì)算，甲板橫梁的剖面模數(shù)W=5.4 cm3。

實(shí)取橋腳甲板橫梁L75 mm×50 mm×6 mm，其剖面模數(shù)W=30 cm3。

(2)主橋腳圍壁強(qiáng)扶強(qiáng)材的剖面模數(shù)W1按規(guī)范第2.16.4.2條計(jì)算，其公式如下：

式中：s1為扶強(qiáng)材間距，s1=1.2 m；l1為扶強(qiáng)材跨距，l1=2.6 m。

經(jīng)計(jì)算，主橋腳圍壁強(qiáng)扶強(qiáng)材的剖面模數(shù)W1=29.2 cm3。

(3)付橋腳圍壁強(qiáng)扶強(qiáng)材的剖面模數(shù)W2按規(guī)范第2.16.4.2條 計(jì)算，其公式如下：

式中：s2為扶強(qiáng)材間距，s2=1.2 m；l2為扶強(qiáng)材跨距，l2=5.2 m。

經(jīng)計(jì)算，付橋腳圍壁強(qiáng)扶強(qiáng)材的剖面模數(shù)W2=116.8 cm3。

(4)主付橋腳圍壁普通扶強(qiáng)材的剖面模數(shù)W3按規(guī)范第2.16.4.2 條計(jì)算，其公式如下：

式中：s3為扶強(qiáng)材間距，s3=0.6 m；l3為扶強(qiáng)材跨距，l3=2.6 m。

經(jīng)計(jì)算，主付橋腳圍壁普通扶強(qiáng)材剖面模數(shù)W3=14.6 cm3。

實(shí)取主橋腳普通扶強(qiáng)材L75 mm×50 mm×6 mm(雙拼)，其剖面模數(shù)W3=58.9 cm3。

實(shí)取付橋腳普通扶強(qiáng)材L75 mm×50 mm×6 mm，其剖面模數(shù)W3=30 cm3。

2 有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型

本文在建立模型時(shí)采用平面四邊形板單元(shell)(局部過(guò)渡區(qū)域采用三角形板單元)描述船體板、上層建筑、橋腳側(cè)板及壁板、強(qiáng)橫梁、縱桁，船底實(shí)肋板、艙壁垂直桁等強(qiáng)框架的腹板，用一維梁?jiǎn)卧?beam)描述縱骨、橫梁、強(qiáng)框架面板等構(gòu)件，通過(guò)板梁?jiǎn)卧M合的力學(xué)模型描述整船的結(jié)構(gòu)。計(jì)算時(shí)，一般在建立整船模型時(shí)，忽略小肘板、甲板、平臺(tái)和艙壁上的小開(kāi)口等[2]。有限元模型的坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系，X軸由艉部指向艏部為正，Y軸由右舷指向左舷為正，Z軸垂直向上為正。本船有限元模型坐標(biāo)原點(diǎn)建立甲板面尾端與中縱剖面相交處。有限元模型的長(zhǎng)度單位為m，力的單位為N。全船結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

圖1 全船結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 邊界條件

由于船舶結(jié)構(gòu)具有較為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，有限元模型中的節(jié)點(diǎn)數(shù)、單元數(shù)量龐大，載荷計(jì)算的累積誤差難以尋求完全平衡的外載荷力系，所以施加合理的邊界條件十分重要[3]。

由于船舶結(jié)構(gòu)處于“全自由”狀態(tài)，因此在進(jìn)行有限元靜力分析時(shí)，采用慣性釋放，去掉支座，消除約束點(diǎn)的反力對(duì)變形和應(yīng)力狀態(tài)的影響，并且使得斷面剪力可以施加到計(jì)算模型中。慣性釋放的運(yùn)用，對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元直接計(jì)算具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

2.3 計(jì)算載荷

根據(jù)設(shè)計(jì)的裝載布置圖中A/B級(jí)航區(qū)航行、453 t/670 t車(chē)載和旅客狀態(tài)下的重量分布、靜水力數(shù)據(jù)、穩(wěn)性計(jì)算書(shū)，考慮全船受舷外水壓力、壓載水載荷、燃油壓載及車(chē)輛載荷，車(chē)輛載荷以輪壓的形式施加。壓載水、燃油壓載根據(jù)穩(wěn)性計(jì)算書(shū)中滿載工況(出港、到港)和空載到港下的壓載高度計(jì)算載荷。計(jì)算中還考慮了上層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)載的影響，模型范圍內(nèi)的風(fēng)載按基本風(fēng)壓采用面壓力的形式施加。各種壓載以面壓力載荷的形式施加于相應(yīng)的艙室結(jié)構(gòu)、甲板和外板有限元單元上。

2.3.1 車(chē)輛載荷

按照規(guī)范第2.2.4.2條相關(guān)要求，本文分為6種工況，分別為：航行滿載出港；航行滿載到港；航行空載出港；碼頭載貨區(qū)域尾1/4 區(qū)域內(nèi)，裝載1/4 總載貨量工況；碼頭載貨區(qū)域尾2/3 區(qū)域內(nèi)，裝載2/3 總載貨量工況；碼頭載貨艙區(qū)域尾向首3/4區(qū)域內(nèi)，裝載3/4總載貨量。

車(chē)輛載荷按軸重均勻分布：6軸、100 t重車(chē)(計(jì)算中取前后10 t、后軸18 t×5)；2軸、20 t重車(chē)(計(jì)算中取前后5 t、后軸15 t)；2軸、30 t重車(chē)(計(jì)算中取前后7.5 t、后軸22.5 t)；2軸、15 t卡車(chē)(計(jì)算中取前后3.75 t、后軸11.25 t)；2軸、2 t卡車(chē)(計(jì)算中取前后0.5 t、后軸1.5 t)。

2.3.2 舷外水壓力

舷外水壓力根據(jù)規(guī)范第14.3.4條中的舷外水壓力公式，計(jì)算各種工況下船舶處于平衡狀態(tài)時(shí)的設(shè)計(jì)波。建模時(shí)，將等效余弦波按壓力分布施加到模型的濕表面各單元上。波高h(yuǎn)e按下式計(jì)算。

he=αW(29 593-120.89L+0.223 2L2)×10-4

式中：αW為航區(qū)修正系數(shù)，A級(jí)航區(qū)取1.0，B級(jí)航區(qū)取0.6。

經(jīng)計(jì)算，A級(jí)：he=2.314 m；B級(jí)：he=1.39 m。

2.3.3 淡水和燃油壓載

A級(jí)(與B級(jí)相同)中滿載出港、滿載到港和空載到港的重量中心表分別見(jiàn)表1和表2。

3 結(jié)果分析

本文全船采用普通鋼，其材料屈服強(qiáng)度為235 MPa,許用正應(yīng)力為179 MPa，剪切應(yīng)力為91 MPa。綜合結(jié)果，得知2種航區(qū)下的橋腳側(cè)板、端壁圍板的Von Mises應(yīng)力最大值為169.0 MPa，最大剪切應(yīng)力值為80.6 MPa；橋腳內(nèi)強(qiáng)框架、水平桁的Von Mises應(yīng)力最大值為83.8 MPa，最大剪切應(yīng)力值為43.2 MPa，橋腳應(yīng)力大小值均滿足規(guī)范許用值要求，最大應(yīng)力值均滿足規(guī)范許用值要求。圖2～圖5為A級(jí)航區(qū)狀態(tài)下的橋腳側(cè)板、端壁圍板及強(qiáng)框架、水平桁的Von Mises最大應(yīng)力值和最大剪切值；圖6～圖9為B級(jí)航區(qū)狀態(tài)下的橋腳側(cè)板、端壁圍板及強(qiáng)框架、水平桁的Von Mises最大應(yīng)力值和最大剪切值。

表1 滿載出港重量重心表

表2 滿載到港和空載到港重量重心表

圖2 A級(jí)航區(qū)主橋、付橋壁板及舷墻板最大有限元相當(dāng)應(yīng)力

圖3 A級(jí)航區(qū)主橋、付橋壁板及舷墻板最大有限元剪切應(yīng)力

圖4 A級(jí)航區(qū)主橋及付橋強(qiáng)框架、水平桁最大有限元相當(dāng)應(yīng)力

圖5 A級(jí)航區(qū)主橋及付橋強(qiáng)框架、水平桁最大有限元剪切應(yīng)力

圖6 B級(jí)航區(qū)主橋、付橋壁板及舷墻板最大有限元相當(dāng)應(yīng)力

圖7 B級(jí)航區(qū)主橋、付橋壁板及舷墻板最大有限元剪切應(yīng)力

圖8 B級(jí)航區(qū)主橋及付橋強(qiáng)框架、水平桁最大有限元相當(dāng)應(yīng)力

圖9 B級(jí)航區(qū)主橋及付橋強(qiáng)框架、水平桁最大有限元剪切應(yīng)力

4 結(jié)論

通過(guò)有限元強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)60 m全回轉(zhuǎn)車(chē)客渡船主付橋腳側(cè)壁在向艏艉延伸與舷墻連接的部分應(yīng)力比較集中，故對(duì)艉部Fr28-150 mm～Fr35+150 mm，艏部Fr65 -150 mm～Fr72+150 mm的區(qū)域板厚加厚為10 mm,并使該過(guò)渡區(qū)域邊緣設(shè)置角鋼，以滿足該區(qū)域的強(qiáng)度要求。

在滿足船舶總體設(shè)計(jì)要求的情況下，根據(jù)船舶的實(shí)際使用情況，使船舶結(jié)構(gòu)的形式、構(gòu)件的尺寸與連接等設(shè)計(jì)更優(yōu)化。通過(guò)有限元強(qiáng)度分析，可以對(duì)設(shè)計(jì)船舶中規(guī)范要求的特殊部位進(jìn)行校核，使船舶結(jié)構(gòu)性能達(dá)到最佳狀態(tài)，從而最大限度地保證船舶的航行安全。

[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，2016.

[2] 吳恒林.內(nèi)河集裝箱船彎扭強(qiáng)度分析[J].中國(guó)水運(yùn)，2014(31)：1-3.

[3] 張少雄,楊永謙. 船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中慣性釋放的應(yīng)用[J].中國(guó)艦船研究，2006(1)：58-61.

2016-10-16

張?jiān)?1983—)，女，助理工程師，從事船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；譚慧娟(1988—)，女，助理工程師，從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；陳繼康(1976—)，男，工程師，從事船舶與海洋建造工作。

U661.43

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