車輛轉駁裝置結構設計及優(yōu)化

吳華強，謝松蓮，劉 賀，張松飛

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

在沿?；蚝Ｉ宪囕v轉駁的過程中車輛轉駁裝置發(fā)揮著關鍵性作用[1]。隨著國家經(jīng)濟增長，國內外物資交換快速增加，車載重量也不斷增加，對車輛轉駁裝置的安全帶來了巨大的考驗[2]。

因一些船用車輛轉駁裝置的強度和長度不符合技術標準，經(jīng)常在轉運車輛時發(fā)生事故。隨著計算機輔助設計與分析技術的快速發(fā)展，利用軟件對車輛轉駁裝置進行參數(shù)化設計，完成實體建模后加載實際工況進行有限元分析，對設備的應力分布和形變情況作定性的分析，為結構的改良與優(yōu)化提供了理論依據(jù)[3-5]。朱志宏[6]運用影響線性法計算了汽車渡船跳板主梁的強度；鄭錫超等[7]采用Patran/Nastran對汽車渡船跳板進行了強度分析，在強度分析的基礎上集成Isight/Nastran對汽車渡船跳板進行結構優(yōu)化設計。

在設計研究過程中進行正確的結構強度計算研究，不僅可以確保其使用安全性，還可以節(jié)約設計制造成本，但是目前研究車輛跳板強度的文獻較少，僅有在正常工作條件下對跳板強度分析，沒有考慮到特殊情況下轉運過程中跳板需要抬起的緊急情況[8-10]。文中通過模擬真實海況下采用有限元分析手段對跳板的應力分布及容易發(fā)生破壞的部位進行了詳細的分析，并進行結構加強及方案優(yōu)化[11-12]。

1 總體方案及跳板狀態(tài)分析

1.1 總體方案設計

如圖1所示，車輛轉駁裝置主要由三段式跳板、塔架、鋼索滑輪、回轉結構、鎖緊裝置、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。

三段式跳板結構設計是設備中最為重要的部分，其作為運輸車輛的通道，完成轉運車輛的任務。外形尺寸為：32.4 m×6.6 m×5.0 m（長×寬×高），總質量82.4 t，跳板之間通過鉸鏈相連。工作時，兩船舷間距最小為30 m，外伸甲板長度14.5 m，設計要求跳板完全伸展長度為31.5 m?，F(xiàn)設計的跳板實際長度達到了32 m以上，滿足工作需求。

跳板坡度，考慮到該跳板主要承載任務為轉駁車輛，需照顧到不同類型車輛，該文以拖車為設計極限，設計的坡度不應大于1∶6，推薦使用1∶7的坡度。該文中設計坡度為11°，后續(xù)應適當調整。

現(xiàn)在設計的塔架外形尺寸為：16.0 m×12.5 m×23.2 m（長×寬×高），模型中塔架的質量為105.8 t。如圖2所示，塔架主要功能是支撐整個跳板結構。

圖1 總體方案三維模型

圖2 塔架模型

1.2 材料屬性及加強筋布局

在有限元分析中，對整個結構的材料進行定義，選用的鋼材型號為Q345D，其機械性能指標如表1所示。

表1 材料機械性能指標

因為跳板整體結構長度較長，單一跳板結構無法滿足強度要求。為了保證結構的安全性，在跳板的反面設計有加強筋和肋板等結構。加強筋使用“T”型加強筋，其規(guī)格如圖3所示。

圖3 T型加強筋

設計中選擇的各個尺寸參數(shù)為：H＝300 mm，B＝200 mm，t1＝11 mm，t2＝17 mm，r＝13 mm。

跳板鋼板厚度：所選用的甲板厚度t應不小于式（1）算得之值

式中：A為應力系數(shù)，按圖4根據(jù)輪胎印與板的尺寸查得；LW為輪胎印上的載荷，N。對輪距緊靠的輪子，圖4中的陰影面積可取組合在一起的輪胎印子。

現(xiàn)行設計下，跳板踏面鋼板厚度為12 mm。

圖4 應力系數(shù)A

鋼索的選用：選用的鋼絲繩規(guī)格：GB 8918—2006，第3組，6×36WS，直徑54 mm，公稱抗拉強度1 870 MPa，要求安全系數(shù)為3。

1.3 跳板狀態(tài)分析

該轉駁裝置用于一定海況范圍內，實現(xiàn)海上兩船間的車輛轉駁。跳板設計強度應當滿足在設定的極限海況、滿載時的強度要求。其設計應按特殊工況辦理，工況信息如表2所示。

表2 工況信息

使用過程中，跳板有多種狀態(tài)，分別為：放下、轉運、收起。在這3種狀態(tài)中，又以運輸狀態(tài)時，跳板各處出現(xiàn)危險截面的可能性較大。因此，在這一狀態(tài)下的分析應相對細化、謹慎。

判斷危險工況，針對各個工作環(huán)境，得出以下結論：

1）繩索最危險工況。當跳板載重被繩索拉起時，繩索的拉力最大，此時繩索處于最危險狀態(tài)，因此，繩索的校核應該在這里考慮。

2）各處鉸鏈最危險工況。綜合分析整理應校核的工況及重點檢驗位置見表3，圖5為各危險截面/部件在跳板上的位置。

危險截面/部件表見表3。危險截面示意圖如圖5所示。

表3 危險截面/部件表

圖5 危險截面示意圖

2 危險工作狀態(tài)下有限元分析

跳板在設計時，應保證在2船間正常運輸時的安全性，同時，在特殊情況下：整個跳板被抬起一定角度，第3段與相接觸平臺脫離接觸，在此情況下要滿足所運載的最大重量作用在第2段前端的極限工況下的安全性。

2.1 載重在第2段上，跳板未抬起

車輛在跳板第2段上時，此時繩索處于非工作狀態(tài)，整個跳板機構依靠鉸鏈和限位裝置保持穩(wěn)定，而這一工況下，第2段和第3段之間的鉸鏈連接及限位處于受力最大時刻，重點檢驗這一段鉸鏈及限位的安全性。

車輛動載荷：車輛在跳板上運動時，自身的牽引力對該處鉸鏈及限位產生影響，應加入到計算中，車輛牽引力為：

式中：P為功率，W；V為速度，m/s。估算得到動載荷F為40 000 N。所加載荷見表4。

表4 所加載荷

2.1.1 有限元分析

支撐設置：設置支撐時，按實際工作中第3段同前平臺接觸、第1段通過鉸鏈連接在塔架平臺上進行布置。

載荷布置：添加載荷時，應考慮載荷的作用方向和作用面積，其中車輛自重載荷方向為豎直向下，車輛動載荷方向為平行于車輛前進方向（在有限元中，載荷方向設置為X、Y、Z3個方向，由于車輛前進方向與Y軸存在一個夾角，為了保證分析的精確性，可以將這一力按沿Y軸和Z軸分解，分別加載即可）。

2.1.2 有限元分析結果

由圖5可以看出，應力集中容易第3段與第2段接觸、第2段與第1段接觸的下邊緣部位，因此，應當注意這些區(qū)域因為應力集中而導致的機構強度不足的情況。應力集中圖見圖6。有限元分析結果見表5。

圖6 應力集中圖

表5 有限元分析結果

由有限元分析可知，最大應力值為178.07 MPa，沒有超過選用的Q345鋼的屈服強度，但由于存在安全系數(shù)小于5的區(qū)域，所以應考慮對安全系數(shù)小于5的區(qū)域進行結構上的加強。

2.2 車輛在第2段上，跳板抬起

考慮到3段式跳板在工作中可能遇到的緊急情況，需要跳板能夠做到在載重時抬起一定角度，以便能夠及時和目標船舶脫離接觸。

跳板抬起一定高度時，跳板上第1段與基座相連的鉸鏈部分、繩索以及第2段、第1段的鉸鏈部位承受較大的力，因此需要檢驗其安全性。

為了簡化有限元分析，同時保證簡化后的準確性，先做鋼索的拉力分析，求出了跳板在載重時繩索拉力的變化，以及拉力的最大值，將拉力的最大值作為有限元分析依據(jù)，可保證分析的合理性。

2.2.1 繩索仿真分析

在做仿真時，考慮到各種設置的方便性，對繩索所受拉力影響不大的部件做了簡化或去除（如遮蓋2段跳板間縫隙的蓋板、液壓裝置等）。同時，在忽略繩索和滑輪間摩擦力的情況下，只需要做一對滑輪模型。仿真結果如圖7和圖8所示。鉚接點拉力見表6。

由繩索仿真分析得到繩索收到X、Y、Z軸3個方向的力，將三力合成，可以得到繩索的總拉力

FT＝1.193 461×106N。

圖7 A鉚接點拉力

圖8 B鉚接點拉力

表6 鉚接點拉力

選用的鋼絲繩規(guī)格：GB 8918—2006，第3組，6×36WS，直徑54 mm，公稱抗拉強度1 870 MPa，要求安全系數(shù)為3。

繩索所受的應力為

式中：d為鋼絲繩直徑，m；FT繩索的總拉力，N；經(jīng)計算，σ＝521.112 MPa。

計算得到的允許拉應力為

式中：σ為鋼絲繩許用應力，MPa；a為建議的安全系數(shù)，取3。經(jīng)計算，F(xiàn)a＝623.3 MPa＞521.112 MPa。

結果表明：鋼索的選用能夠滿足承載的需要。

2.2.2 跳板抬起時有限元仿真分析

1）有限元仿真結果分析

應力集中區(qū)域圖見圖9。有限元分析結果見表7。

由表7數(shù)據(jù)可以看出，在此工況，跳板第1段前伸部分的最大應力為495.6 MPa，超過所選用材料的屈服強度（345 MPa），因此導致這里出現(xiàn)了嚴重的變形，且該區(qū)域的最小安全系數(shù)只有0.504 43，這一處的強度不足，將導致整個設備的失效，所以此處應進行結構上的加強。

2.2.3 塔架的有限元分析

在做塔架的有限元分析時，塔架的受力主要由鋼絲繩的拉力提供，將繩索所受到的最大拉力作為載荷加到塔架中，得到塔架的有限元分析結果整理得到表8。

圖9 應力集中區(qū)域圖

表7 有限元分析結果

表8 塔架有限元分析結果

根據(jù)表8中數(shù)據(jù)，塔架所受最大應力為128.85 MPa，小于Q345的屈服應力345 MPa，故塔架整體安全。但塔架部分區(qū)域存在較大變形，且安全系數(shù)最小值僅為1.94，對比有限元分析結果圖，應對塔架部分區(qū)域進行結構上的加強，需加強區(qū)域如圖10所示。

圖10 塔架結構加強區(qū)域

3 結構加強及改進方案

根據(jù)有限元分析結果顯示，在跳板受載狀態(tài)下，3段跳板均有應力集中區(qū)域出現(xiàn)，因此對分析中出現(xiàn)應力集中的區(qū)域應當進行加強。根據(jù)設計要求對非應力集中區(qū)進行減重處理，使其總重量不超過74 t。

3.1 第1段調整

分析知道，第1段的前伸部分受力較大，產生嚴重變形，應對這一部分進行結構上的加強，可用加強筋或肋板等進行加強，使其滿足強度要求，加強部位如圖11中指出部分所示。

將前伸部分中較為薄弱的地方增加加強筋或肋板，調整其寬度，使其寬度和圖中對比部位寬度相同，這樣可以使這一部位受力相對均勻，避免出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，提高機構安全性。

圖11 跳板第1段改進

經(jīng)過結構加強之后，最大應力為331 MPa，低于材料的下屈服強度345 MPa。故通過加強結構改善跳板的應力狀況的方法可行。

第1段中除小區(qū)域的應力集中導致強度較低外，整體受力狀況良好，能夠承受工作載荷，因此可考慮采用適當減小鋼板厚度的方法減小第1段的重量。見圖12。

圖12 加強后應力集中區(qū)域

3.2 第2段改進及減重

跳板第2段總長為10.5 m，占跳板預設計總長的1/3。第2段跳板過長將導致以下問題：

1）整體比例不協(xié)調。第2段與第1段之間的鉸鏈承受較大的自重載荷，影響跳板的安全性。

2）當載重集中在第2段跳板靠近第3段的那一端時，因第2段過長，重力載荷產生的力矩較大，使跳板各承力部位承受額外的應力。

3）第2段較長導致跳板整體長度超限，同時導致跳板整體超重。

綜合考慮應當縮減第2段的長度，使其在一個合適的范圍內。

3.3 第3段改進及減重

按照《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》，跳板的坡度應按表9中表明的情況設計[13]。

表9 跳板的坡度

考慮到跳板需要滿足拖車的運輸，設計坡度不應超過1∶6，轉換為角度約為9.5°，同時，兩船的平臺可能存在一定的高度差，因此第3段跳板坡角應選擇一個合適的值。

現(xiàn)模型設計中坡角為11°，因此應當調整其角度在9.5°以內。

4 結論

通過有限元分析可知，跳板第1段前端部分是應力應變的最大處，各鉸鏈的鏈接處也是應力集中區(qū)域，在設計時應對其結構進行加強。車輛速度會影響車輛動載荷，在轉運過程中車輛應低速平穩(wěn)通過。在轉運過程中抬起跳板時的最大應力是正常工作的2倍以上，非緊急情況應禁止在轉運時抬起跳板。在非應力集中區(qū)域對跳板進行減重處理，在保證安全性的同時使重量達到最小。