挖掘機(jī)運(yùn)輸船受力部位結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

姜 磊，陳 攀，衣雅琳

(1.交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064；3.北京海納川汽車部件股份有限公司，北京 102600)

隨著長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)推進(jìn)，沿江城鎮(zhèn)化建設(shè)加快，作為基建重要工具的挖掘機(jī)運(yùn)輸需求快速增長。挖掘機(jī)運(yùn)輸船在沿江長距離運(yùn)輸方面具有經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)勢，尤其在公路限超治理大力推進(jìn)的情況下，近年來得到持續(xù)快速發(fā)展。

1 三維有限元模型建立

挖掘機(jī)運(yùn)輸船主尺度如下：總長29.80 m；型寬 5.60 m；型深1.20 m；設(shè)計(jì)吃水0.52 m；肋距 0.50 m。

本船為單底、單甲板橫骨架式鋼質(zhì)船。船寬方向設(shè)置3道縱向強(qiáng)構(gòu)件，其中左右各1道，距中1.4 m；船底每檔設(shè)置實(shí)肋板。在FR26至FR32區(qū)間主甲板承受挖掘機(jī)重量，局部板厚8 mm。按照中國船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2016)[1](以下簡稱《規(guī)范》)第1篇第11章相關(guān)要求，裝載履帶式車輛時(shí)，甲板厚度應(yīng)按照要求直接計(jì)算校核。依據(jù)以上要求，本計(jì)算工況依據(jù)《規(guī)范》局部強(qiáng)度相關(guān)要求進(jìn)行校核。

模型區(qū)間為NO.8～NO.12，模型包括整個(gè)船寬、型深范圍的船體所有主要的縱向結(jié)構(gòu)和橫向結(jié)構(gòu)，對(duì)局部的支承構(gòu)件如肘板等不計(jì)入模型中，桁材、肘板的開孔忽略不計(jì)[2]。所有主要板材，如甲板、舷側(cè)外板、船底板、橫艙壁，船底縱桁、實(shí)肋板，舷側(cè)縱桁、甲板縱桁、強(qiáng)橫梁、主肋骨等強(qiáng)構(gòu)件的腹板以及較大的肘板用板單元模擬。板材上的骨材，如橫梁、普通肋骨、艙壁加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，以及縱桁、強(qiáng)框架等強(qiáng)構(gòu)件的面板和肘板的折邊用梁單元模擬。桁架和撐桿用桿單元模擬。船體艙段模型圖見圖1。

圖1 船體艙段模型圖

2 計(jì)算工況

2.1 工況確定

按照《規(guī)范》第1篇第14章相關(guān)要求，對(duì)運(yùn)輸船裝載22 t挖掘機(jī)工況進(jìn)行船體局部強(qiáng)度校核，舷外水共有2個(gè)計(jì)算工況[3]，分別為靜水吃水加半波高和靜水吃水減半波高。本船航行于C級(jí)航區(qū)，波高0.5 m。則2個(gè)工況分別為：工況1為靜水吃水加半波高，即實(shí)際吃水為0.77 m；工況2為靜水吃水減半波高，即實(shí)際吃水為0.27 m。

2.2 計(jì)算載荷

計(jì)算載荷包括以下項(xiàng)目[4]：①自重；②挖掘機(jī)重量；③舷外水。船體重量以慣性力的形式施加。挖掘機(jī)總重220 kN，主甲板承受挖掘機(jī)履帶區(qū)域面積為7.46 m2，受力區(qū)域平均壓載為28 930 N/m2。

2.3 邊界條件

依據(jù)《規(guī)范》要求，艙段模型在模型一端所有節(jié)點(diǎn)施加位移約束為μx=μy=μz=0，轉(zhuǎn)角約束為θy=θz=0，在另一端面所有節(jié)點(diǎn)施加位移約束μy=μz=0，轉(zhuǎn)角約束θy=θz=0；在一舷所有實(shí)肋板端點(diǎn)施加位移約束μy=μz=0，在另一舷所有實(shí)肋板端點(diǎn)施加位移約束μz=0；在兩舷側(cè)橫艙壁與船底板交線上的節(jié)點(diǎn)施加位移約束μz=0。

3 強(qiáng)度評(píng)估

3.1 許用應(yīng)力

各工況構(gòu)件應(yīng)力不大于表1中許用值。

表1 船體構(gòu)件許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn) MPa

支柱的軸向壓應(yīng)力[σ]應(yīng)不大于《規(guī)范》中的要求：跨距l(xiāng)=120 cm ，截面積A=7.04 cm2，慣性半徑r=1.99 cm，l/r=60.3<120，則[σ]=101.74 MPa。

3.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，各工況主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力見表2。工況1和工況2時(shí)主甲板和船體外板相當(dāng)應(yīng)力見圖2、圖3。

表2 船體構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

圖2 工況1主甲板和船體外板相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖3 工況2主甲板和船體外板相當(dāng)應(yīng)力云圖

3.3 強(qiáng)度校核

根據(jù)計(jì)算主甲板、船體外板、縱桁腹板、龍骨腹板、縱桁面板、龍骨面板、橫艙壁、橫向強(qiáng)框架腹板、橫向強(qiáng)框架面板、支柱的最大應(yīng)力，按照《規(guī)范》進(jìn)行強(qiáng)度校核。

1)主甲板、船體外板、縱桁腹板、龍骨腹板的許用相當(dāng)應(yīng)力為165 MPa，許用剪應(yīng)力為91 MPa。其中龍骨腹板承受的相當(dāng)應(yīng)力、剪應(yīng)力最大，分別為67.30 MPa、38.20 MPa，均小于構(gòu)件許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，符合《規(guī)范》要求。

2)縱桁面板、龍骨面板的梁單元合成許用應(yīng)力為155 MPa，其實(shí)際承受的梁單元合成應(yīng)力分別為61.40 MPa、64.90 MPa，均小于構(gòu)件許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，符合《規(guī)范》要求。

3)橫艙壁、橫向強(qiáng)框架腹板的許用應(yīng)力為188MPa，許用剪應(yīng)力為91 MPa，其中，橫向強(qiáng)框架腹板承受的相當(dāng)應(yīng)力、剪應(yīng)力較大，分別為37.00 MPa、19.30 MPa，均小于構(gòu)件許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，符合《規(guī)范》要求。

4)橫向強(qiáng)框架面板的梁單元許用合成應(yīng)力為175 MPa，梁單元實(shí)際承受的合成應(yīng)力為61.40 MPa，小于構(gòu)件許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，符合《規(guī)范》要求。

5)支柱的軸向許用壓應(yīng)力[σ]為101 MPa，其實(shí)際承受的壓應(yīng)力為11.5 MPa，小于構(gòu)件許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，符合《規(guī)范》要求。

4 結(jié)束語

1)2種工況下，挖掘機(jī)運(yùn)輸船局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布：主甲板、船體外板、橫艙壁、橫向強(qiáng)框架腹板在工況2的應(yīng)力最大；縱桁腹板、龍骨腹板、縱桁面板、龍骨面板、橫向強(qiáng)框架面板、支柱在工況1的應(yīng)力最大。因此，在實(shí)際運(yùn)營中，應(yīng)注意在不同工況時(shí)船體構(gòu)件的應(yīng)力情況。

2)本文采用有限元方法對(duì)29.8 m挖掘機(jī)運(yùn)輸船重要受力部位的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，結(jié)果表明該挖掘機(jī)運(yùn)輸船局部強(qiáng)度滿足《規(guī)范》要求，且不同工況下各構(gòu)件受力變化情況不同，研究結(jié)論可為其他挖掘機(jī)運(yùn)輸船強(qiáng)度校核提供參考。