車客渡船跳板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

邵學(xué)祥，李書豐

(1.泰州港盛(明)船務(wù)有限公司，江蘇 泰州 225300；2.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

長(zhǎng)江中下游渡口的過(guò)江車客渡船作為汽車過(guò)江的交通工具,在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用,其跳板結(jié)構(gòu)的安全是保證渡船正常營(yíng)運(yùn)的重要前提。在進(jìn)行跳板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一般關(guān)注主梁的強(qiáng)度，且多年使用下來(lái)也未發(fā)生主梁損壞的情況。但是隨著車輛裝載重量逐年增加，通行車輛的多樣性，重型卡車偏離跳板車道等因素的影響，跳板局部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)面板斷裂、變形等現(xiàn)象。文獻(xiàn)[1]通過(guò)試驗(yàn)和有限元軟件對(duì)跳板應(yīng)力分布進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，并對(duì)車輛行駛速度和位置提出了指導(dǎo)性的建議。本文通過(guò)分析跳板結(jié)構(gòu)局部破壞產(chǎn)生的原因，不斷對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并采用有限元方法加以驗(yàn)證。

1 跳板型式與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

過(guò)江車客渡船跳板設(shè)于艏艉兩端，同時(shí)采用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置，這樣兩端均可靠泊碼頭，航行時(shí)船舶無(wú)需調(diào)頭，便于汽車直上直下，提高通行效率。車客渡船總體示意圖如圖1所示。

圖1 車客渡船總體示意圖

目前，過(guò)江車客渡船大都采用曲面跳板型式，以滿足“全車型”通過(guò)的實(shí)際需求。采用曲線跳板首先有利于提高裝卸效率，保證過(guò)江車輛的裝卸安全；其次在重載車輛上下跳板時(shí)，跳板縱向強(qiáng)構(gòu)件隨船舶縱傾與坡道部分貼合，這樣實(shí)際減小了承重構(gòu)件的縱向跨距，有利于減小跳板縱桁應(yīng)力。車輛上下跳板示意圖如圖2所示。

圖2 車輛上下跳板示意圖

跳板結(jié)構(gòu)采用縱骨架式。跳板中部3 m范圍內(nèi)為重車道，下設(shè)2道強(qiáng)縱桁；兩側(cè)為小型車道，分別設(shè)置普通縱桁及縱骨?？v桁與主船體結(jié)構(gòu)間距一致，橫向共設(shè)6道強(qiáng)橫梁，但橫向構(gòu)件比縱向構(gòu)件尺寸相應(yīng)減小，以保證橫向有一定的彈性變形，減小節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中。

圖3為跳板結(jié)構(gòu)圖。圖中，左圖為早期跳板結(jié)構(gòu)形式，右圖為改進(jìn)后采用的結(jié)構(gòu)形式。

圖3 跳板結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

2 跳板使用中出現(xiàn)的問(wèn)題

隨著渡運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，重型車輛逐年增多，跳板的外載荷增加了許多不確定性。跳板由于渡運(yùn)車輛的增加，出現(xiàn)部分由于疲勞產(chǎn)生的局部損壞的情況。

(1)跳板兩側(cè)強(qiáng)橫梁面板開裂

早期的規(guī)范要求跳板強(qiáng)橫梁剖面尺寸不小于車輛甲板強(qiáng)橫梁，跳板強(qiáng)橫梁在設(shè)計(jì)時(shí)腹板取與縱桁等高，面板焊接。理論狀態(tài)下，車客渡船停靠碼頭時(shí)，跳板尾端通過(guò)鉸鏈與船體連接，前端完整地?cái)R在坡道上。但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)船舶沒(méi)有正對(duì)碼頭坡道、船舶橫傾或坡道不平時(shí)，跳板前端一側(cè)無(wú)法完全擱在坡道上，此時(shí)若車輛壓上跳板，則跳板橫向受力，懸空一側(cè)不容易擱上坡道，導(dǎo)致橫梁與縱桁“十”字交叉處面板焊接位置出現(xiàn)開裂。

(2)跳板邊縱桁面板開裂

早期跳板結(jié)構(gòu)骨架采用等間距設(shè)置方式，與斜向邊縱桁形成尖角，產(chǎn)生應(yīng)力集中。其位置如圖3中A處所。

(3)防浪格柵變形

為防止船舶航行時(shí)水浪對(duì)跳板的沖擊，在跳板后端開設(shè)防浪口，并加格柵，其位置如圖3中B處所。由于暴露在外，長(zhǎng)期受車輛碾壓、碰撞，開口處格柵及跳板縱骨變形嚴(yán)重。

(4)跳板縱桁與尾端橫梁連接處面板開裂

從理論上分析跳板縱桁最大受力處在縱桁跨距中間，但實(shí)際使用中車輛沖上跳板時(shí)對(duì)縱桁尾端的沖進(jìn)力也很大。車輛由跳板駛向船舶兩側(cè)時(shí)會(huì)偏離中間車道，此時(shí)跳板兩側(cè)縱桁后端受力較大，且兩側(cè)縱桁強(qiáng)度弱于中間縱桁，跳板縱桁面板與尾端橫梁面板焊接處開裂。

3 跳板優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)上文分析的跳板出現(xiàn)的問(wèn)題以及用戶反饋的信息，對(duì)跳板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)跳板太重會(huì)增加船舶轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。將跳板兩側(cè)橫向構(gòu)件尺寸相對(duì)于跳板中部的橫梁減小，并通過(guò)肘板連接，以保證橫向有一定的彈性變形，減小節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中。由于跳板主要受力構(gòu)件為縱桁，而且車輛主要行駛在跳板中間，因此不僅強(qiáng)橫梁，跳板兩側(cè)的縱向構(gòu)件也可以相應(yīng)減小尺寸。

(2)將跳板兩側(cè)縱向構(gòu)件斜向沿著邊縱桁設(shè)置(見(jiàn)圖3右圖)，可避免縱桁尖角焊接，防止出現(xiàn)邊縱桁面板開裂的情況。

(3)將防浪大開口改為一個(gè)個(gè)約250 mm×30 mm小的長(zhǎng)圓孔，實(shí)際增加了構(gòu)件帶板面積，使得骨架強(qiáng)度增強(qiáng)，變形情況得到改善。

(4)縱桁面板與尾端橫梁面板先是采用大圓弧過(guò)渡的方式，但仍出現(xiàn)開裂情況，如果繼續(xù)增加縱桁強(qiáng)度，跳板重量會(huì)隨之增加。采用E550焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度淬火回火鋼(簡(jiǎn)稱E550高強(qiáng)度鋼)代替之前一直采用的CCS-AH36低合金高強(qiáng)度鋼，在不增加跳板重量情況下，進(jìn)一步增大跳板強(qiáng)度。

4 有限元校核計(jì)算

4.1 載荷

《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》規(guī)定：跳板載荷按設(shè)計(jì)車輛軸負(fù)荷的1.2倍確定，跳板擱在碼頭上與水平面的最小角度約4.6°(滿載時(shí))。

通過(guò)對(duì)渡口的調(diào)查了解，通行的最重車輛已達(dá)1 000 kN。從跳板受力最不利角度出發(fā)，考慮以下兩種工況：

工況1：重型卡車尾部并排三軸壓在跳板重車道上，每軸負(fù)荷為196 kN。因貨車有超載現(xiàn)象，取每軸負(fù)荷245 kN，則施加輪印負(fù)荷為73.5 kN。汽車典型載重980 kN示意圖如圖4所示。

工況2：小型汽車、貨車整個(gè)壓在跳板普通車道上(跳板兩側(cè))，取輪軸負(fù)荷140 kN，則施加輪印負(fù)荷為42 kN。汽車典型載重200 kN示意圖見(jiàn)圖5。

圖4 汽車典型載重980 kN示意圖

圖5 汽車典型載重200 kN示意圖

4.2 計(jì)算結(jié)果

利用有限元分析軟件MSC.Patran、MSC.Nastran核算以上所述的載荷，得出的應(yīng)力結(jié)果匯總見(jiàn)表1。通過(guò)有限元計(jì)算分析，減小構(gòu)件尺寸后的跳板強(qiáng)度滿足要求。跳板板與縱梁最大受力狀態(tài)下(工況1)的相當(dāng)應(yīng)力云圖分別如圖6、圖7所示。

表1許用應(yīng)力及計(jì)算結(jié)果MPa

結(jié)構(gòu)分類應(yīng)力種類許用值實(shí)際最大值工況1工況2跳板甲板σe25297.572.1跳板縱桁腹板σe219184.0133.0跳板縱桁面板σz208189.0172.0跳板橫梁σz208168.0109.0跳板縱骨σz208168.0184.0注:σe—板單元相當(dāng)應(yīng)力;σz—梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)合成應(yīng)力

5 結(jié)語(yǔ)

(1)隨著車輛載重量的逐年增加，為保證渡運(yùn)車輛的安全通過(guò)，針對(duì)過(guò)江車客渡船跳板出現(xiàn)的局部結(jié)構(gòu)損壞情況，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)有限元軟件進(jìn)行分析核算。結(jié)果表明：E550高強(qiáng)度鋼跳板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，使用一年多來(lái)未發(fā)生損壞情況。

圖6 跳板板合成應(yīng)力(工況1)

圖7 縱桁合成應(yīng)力(工況1)

(2)為了增強(qiáng)跳板強(qiáng)度，又要控制整個(gè)重量，更高強(qiáng)度材料的使用是一種趨勢(shì)。

(3)渡口應(yīng)加強(qiáng)管理，控制車輛上下跳板時(shí)的車速，避免重型車輛偏離跳板中間車道。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱國(guó)鋒，包青，張禮貴，等.汽車渡船主跳板強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證及有限元研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,3(4)：427-432.

[2] 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.

[3] 中國(guó)船級(jí)社. 國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2015.