基于A(yíng)NSYS的伸縮式過(guò)橋橋體結(jié)構(gòu)的有限元分析

李利斌 徐金帥

(大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部 遼寧 大連 116000)

基于A(yíng)NSYS的伸縮式過(guò)橋橋體結(jié)構(gòu)的有限元分析

李利斌 徐金帥

(大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部 遼寧 大連 116000)

伸縮式過(guò)橋的作用是作為海洋平臺(tái)供應(yīng)船與海洋平臺(tái)之間的連接通道，供人員通行，橋體是過(guò)橋結(jié)構(gòu)的核心部分。本文利用ANSYS對(duì)過(guò)橋橋體進(jìn)行有限元靜力分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足使用要求，為過(guò)橋橋體的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

ANSYS；過(guò)橋；橋體；有限元；靜力分析

一、引言

全回轉(zhuǎn)伸縮式過(guò)橋裝置作為海洋平臺(tái)供應(yīng)船通向海洋平臺(tái)的一種通行方式，比直升飛機(jī)平臺(tái)更加實(shí)用方便，因而越來(lái)越得到更多船東的青睞。

橋體是過(guò)橋裝置的實(shí)現(xiàn)整機(jī)功能的核心部分，其一端連接過(guò)橋裝置的塔身部分，另一端通過(guò)著陸裝置搭接在海洋平臺(tái)上，形成一個(gè)供人員出入的通道。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)過(guò)橋橋體的計(jì)算研究較少，CCS中沒(méi)有關(guān)于橋體的設(shè)計(jì)規(guī)范，ABS也是在2016年8月才公布了有關(guān)過(guò)橋的規(guī)范。本文以PROE為平臺(tái)，建立伸縮式過(guò)橋橋體的三維實(shí)體模型，參照ABS中關(guān)于過(guò)橋的規(guī)范，用ANSYS對(duì)橋體進(jìn)行有限元分析，指導(dǎo)設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)也為今后此類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研究提供了計(jì)算依據(jù)。

二、過(guò)橋橋體結(jié)構(gòu)

過(guò)橋的結(jié)構(gòu)如圖1所示。過(guò)橋橋體由固定過(guò)橋和活動(dòng)過(guò)橋組成，一端安裝在塔身上，另一端通過(guò)所連接的著陸裝置搭接到海洋平臺(tái)上，通過(guò)變幅油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)俯仰動(dòng)作。固定過(guò)橋和活動(dòng)過(guò)橋上都分別裝有滾輪和導(dǎo)軌，通過(guò)伸縮裝置的驅(qū)動(dòng)，活動(dòng)過(guò)橋可以在固定過(guò)橋內(nèi)伸縮移動(dòng)。固定過(guò)橋和活動(dòng)過(guò)橋的主體均由方形鋁管焊接而成，同時(shí)焊接鋁板以做加強(qiáng)或與其它部件連接之用。滾輪支架、導(dǎo)軌及伸縮裝置支架的材料均用鋼材Q345D。

1—塔身；2—固定過(guò)橋；3—伸縮裝置；4—活動(dòng)過(guò)橋；5—著陸裝置；6—變幅油缸

圖1 過(guò)橋

三、過(guò)橋的作業(yè)工況

本過(guò)橋?qū)儆谙拗仆ㄐ腥藬?shù)類(lèi)型，每次只允許通過(guò)一人。作業(yè)海況四級(jí)。

根據(jù)ABS規(guī)范，過(guò)橋共有三種工況：搭接工況、懸臂工況和緊急提升工況，限于篇幅，本文僅對(duì)懸臂工況進(jìn)行分析，即：著陸裝置離地，變幅油缸支撐，橋體長(zhǎng)度L=24m，過(guò)橋橋體自由端作用力F=2.4kN。

四、過(guò)橋橋體有限元模型的建立

本文采用了模塊化的建模方法，即分別建立固定過(guò)橋、活動(dòng)過(guò)橋、滾輪支架的有限元模型，再將其組裝起來(lái)，其中伸縮裝置支架分別建立在固定過(guò)橋和活動(dòng)過(guò)橋上，具體如下：

1.采用實(shí)體建模(SOLID45單元)的方法，分別建立固定過(guò)橋、活動(dòng)過(guò)橋和滾輪支架的有限元模型。

在固定過(guò)橋和活動(dòng)過(guò)橋有限元模型中，需要對(duì)鋁材和鋼材賦予不同的材料屬性。在各模塊的有限元模型內(nèi)部，無(wú)論何種材料，不同零部件之間均通過(guò)共節(jié)點(diǎn)連接。

由于在各種載荷中，橋體的自重影響最大，而有限元模型與設(shè)計(jì)重量可能有較大的差別，所以需要檢查并調(diào)整各模塊有限元模型的重量，即根據(jù)設(shè)計(jì)重量與有限元模型的重量之比，調(diào)整各模塊的材料屬性的密度。

2.根據(jù)工況參數(shù)(橋體的工作仰角α、橋體的工作長(zhǎng)度L)組裝和連接各模塊的有限元模型。固定過(guò)橋和活動(dòng)過(guò)橋之間通過(guò)滾輪連接，而各滾輪與固定過(guò)橋、活動(dòng)過(guò)橋、滾輪支架之間的連接以及滾輪支架與固定過(guò)橋和活動(dòng)過(guò)橋之間的連接都采用銷(xiāo)軸連接。這里不將銷(xiāo)軸接觸和滾輪接觸作為研究對(duì)象，同時(shí)為了減小有限元建模難度和提高運(yùn)算速度，對(duì)這兩種接觸進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。其中將銷(xiāo)軸接觸簡(jiǎn)化成剛性約束，具體做法是在銷(xiāo)軸中心和銷(xiāo)孔中心分別建立mass21單元，設(shè)定其各實(shí)常數(shù)均為0，將銷(xiāo)孔中心與銷(xiāo)孔周圈節(jié)點(diǎn)建立剛性區(qū)域，再將銷(xiāo)孔中心與銷(xiāo)建立相應(yīng)的剛性約束(放開(kāi)繞銷(xiāo)軸軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度)。對(duì)于滾輪接觸，可將其簡(jiǎn)化成單向受壓的link180單元。固定過(guò)橋和活動(dòng)過(guò)橋上各自的伸縮裝置支架部分，在其連接處建立剛性區(qū)域。

3.用link180單元建立油缸的有限元模型。

4.施加約束。約束固定過(guò)橋與塔身連接銷(xiāo)軸的除繞軸向旋轉(zhuǎn)外的其它5個(gè)自由度，并約束油缸與塔身連接處的三個(gè)平穩(wěn)自由度。

5.施加載荷。過(guò)橋橋體的載荷組合除了ABS規(guī)范中規(guī)定的集中載荷外，還包括橋體的自重載荷和風(fēng)載。其中自重載荷要考慮到船舶橫傾角、縱傾角、橫搖角、縱搖角、垂向加速度和橫向加速度的影響，將其體現(xiàn)在重力加速度的各個(gè)分量中。風(fēng)載均勻作用橋體迎風(fēng)的變幅平面的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。最終建立的橋體有限元模型如圖2所示。

圖2 懸臂工況橋體有限元模型

五、結(jié)果分析

懸臂工況橋體有限元分析結(jié)果如圖3—圖6所示。

圖3 懸臂工況橋體整體應(yīng)力云圖

圖4 懸臂工況固定過(guò)橋鋁合金應(yīng)力云圖

圖5 懸臂工況固定過(guò)橋?qū)к壓蜕炜s裝置支架應(yīng)力云圖

圖6 懸臂工況活動(dòng)過(guò)橋整體應(yīng)力云圖

根據(jù)ABS中過(guò)橋的相關(guān)規(guī)范，各種材料的許用應(yīng)力如下所示：

鋁合金：[σ1]=0.75×σ1S=0.75×193=144.75MPa

鋼材Q345D：[σ3]=0.75×σ3S=0.75×315=236.25MPa

橋體的整體變形要求為最大位移δmax≤L/100=24000/100=240mm

由以上各圖可知，鋁合金的最大應(yīng)力為104MPa，鋼質(zhì)導(dǎo)軌的最大應(yīng)力為142MPa，橋體的最大位移為56mm，所以橋體的強(qiáng)度和剛度均滿(mǎn)足要求。

六、結(jié)論

本文基于A(yíng)NSYS，參照ABS關(guān)于過(guò)橋的最新規(guī)范，對(duì)過(guò)橋橋體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案在強(qiáng)度和剛度上均滿(mǎn)足要求，但活動(dòng)過(guò)橋鋁材的強(qiáng)度利用率很低，并且其重量對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響很大，所以應(yīng)該對(duì)活動(dòng)過(guò)橋做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減輕重量。

[1]American Bureau of Shipping.ABSGUIDE FOR CERTIFICATION OF OFFSHORE ACCESS GANGWAYS[S].American Bureau of Shipping.2016.

[2]曾攀.基于A(yíng)NSYS平臺(tái)有限元分析手冊(cè)：結(jié)構(gòu)的建模與分析[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2011.