60 m客滾船跳板設(shè)計及有限元分析

馮興璽，徐振文，張艷萍

(煙臺派格船舶設(shè)計有限公司，山東 煙臺 264000)

0 引言

客滾船是指載客超過12人，并以車輛自行進(jìn)出為主要裝卸方式，兼裝滾裝貨物和旅客的船舶。它主要用于海峽間或島嶼間航運(yùn)，是一種重要的海上交通運(yùn)輸工具。一般客滾船航程較短，靠離碼頭頻繁，所以設(shè)計時要更加注意船舶與碼頭的連接。滾裝船的貨物裝卸為水平方向的滾上滾下，因此它不需要依靠常用的船岸起重設(shè)備，而是通過船首、船尾或舷側(cè)的跳板裝卸貨物。跳板裝卸貨物的優(yōu)點(diǎn)是靈活方便、調(diào)度快、裝卸效率高、裝卸貨種多，與此同時對碼頭設(shè)備條件要求不高。

跳板是滾裝船上主要設(shè)備，它是船舶與碼頭的連接橋梁。滾裝貨物的裝卸需要通過跳板進(jìn)出船艙，所以跳板結(jié)構(gòu)的安全性和合理性的好壞會直接影響船舶的使用。

目前蓬萊—長島航線客滾船所載運(yùn)的最大單車重量不允許超過500 kN，但是隨著航線上載運(yùn)重型運(yùn)輸車的需求越來越多，單車的重量也越來越大，故需要加大船舶跳板的承載能力，以提高船舶的裝卸能力和載重量，滿足航線的需求。設(shè)計負(fù)荷的大幅度增加，必然會提高車輛跳板的強(qiáng)度要求，車輛跳板的結(jié)構(gòu)也應(yīng)作特殊的處理。

本文以蓬萊—長島航線的60 m客滾船為例，將車輛跳板設(shè)計成箱形結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用有限元分析軟件，對車輛跳板進(jìn)行整體建模和有限元分析，計算出跳板載運(yùn)800 kN重車時的最大等效應(yīng)力、最大剪切應(yīng)力和最大撓度值，以驗證箱形結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案的可行性，以及正常載運(yùn)800 kN的重車的可能性。

1 主要參數(shù)

跳板按其在船上的布置，可分為艉跳板、舷側(cè)跳板、艏跳板；按其型式又可分為直跳板、斜跳板、旋轉(zhuǎn)跳板等。跳板的選型要根據(jù)船型、航線、碼頭及經(jīng)濟(jì)性等因素綜合考慮。一般來說，沿海航區(qū)定期專線航班的滾裝船，在艉部和艏部都設(shè)置直跳板。

60 m客滾船是一艘航行于黃渤海海域沿海航區(qū)的Ⅱ級3類客滾船，其主要參數(shù)為：總長60 m，船寬15 m，型深5.0 m，設(shè)計吃水3.3 m，載運(yùn)車輛的最大單車重量800 kN(車輛外形尺寸：車長18 m、車寬2.5 m、車高4 m)，全船設(shè)一層車輛甲板并為縱通型?？紤]船舶靠離碼頭的標(biāo)高、港口設(shè)計的高水位與低水位，本船在船舶首尾設(shè)置直跳板，可實(shí)現(xiàn)車輛的首進(jìn)尾出或尾進(jìn)首出。跳板收起來后作為風(fēng)雨密門。跳板工作坡度不大于5.7°，極限向下角度15°。跳板傳動采用液壓絞車帶動鋼索傳動方式。跳板布置圖見圖1。

2 跳板結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 跳板的基本尺寸

跳板的寬度：直跳板寬度一般比較大。結(jié)合本船實(shí)際運(yùn)輸?shù)男⌒娃I車的車體寬度，跳板寬度一般不超過1.8 m，貨車的車體寬度不超過2.5 m。為便于車輛雙線上下，提高裝卸效率，本船跳板寬度選取6 m。

圖1 跳板布置圖

跳板的長度：本船車輛甲板高度為5.0 m，滿載吃水為3.3 m，空載吃水約為2.8 m，碼頭的標(biāo)高為2.5 m，高低水位差在1 m范圍?？紤]碼頭為凹槽形斜碼頭，本船艏艉直跳板的長度選取7 m。

本船跳板在兩側(cè)設(shè)置水密壓緊條，并在車輛通道表面設(shè)有長度約為1 m、截面尺寸為12 mm的方鋼條作為防滑條。防滑條成魚骨狀布置，與車輛行駛方向成75°夾角。跳板首端部設(shè)置1∶5的坡度并在頂端焊接50 mm圓鋼，以增加跳板擱于碼頭的接觸面積。

2.2 跳板的結(jié)構(gòu)

本船跳板采用箱形結(jié)構(gòu)，跳板頂板及底板板厚為14 mm。跳板設(shè)置縱向間距不大于750 mm的橫梁及橫向間距不大于600 mm的縱桁。橫梁與縱桁的腹板高度為250 mm、腹板厚度為12 mm，橫梁和縱桁用塞焊板與跳板的底板相焊接。相鄰2道縱桁之間設(shè)置縱向角鋼，規(guī)格為L125 mm×80 mm×12 mm?？v向角鋼貫穿橫梁，橫梁在相應(yīng)位置開貫穿口并設(shè)置厚度為12 mm的補(bǔ)板。跳板材質(zhì)選用AH36船用鋼板。跳板結(jié)構(gòu)布置見圖2。

圖2 跳板結(jié)構(gòu)布置圖(單位：mm)

3 跳板強(qiáng)度計算

3.1 跳板強(qiáng)度規(guī)范計算

根據(jù)文獻(xiàn)[1]車輛跳板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度首先要滿足車輛甲板的強(qiáng)度要求，對60 m客滾船跳板的強(qiáng)度進(jìn)行計算。假設(shè)跳板處于放下狀態(tài)，設(shè)計的車輛載荷乘1.1倍的系數(shù)，并以最不利的位置作用于跳板上；同時考慮跳板的自身重量，并按以下衡準(zhǔn)予以確定：

許用彎曲應(yīng)力[σ]=141/K

許用撓度[f]=L/400

式中：K為材料系數(shù)，K=0.72；L為跨距，從圖2可知，本船跳板跨距L=5 640 mm。

經(jīng)計算，[σ]=196 MPa，[f]=14.1 mm。

計算時以800 kN重車為例。800 kN重車總軸數(shù)為6根：后車軸數(shù)3根，后軸單根荷重為185 kN；中車軸數(shù)2根，中軸單根荷重為100 kN；前軸1根，前軸荷重為45 kN。計算時假設(shè)重車的3根后軸處在跳板中間位置。

800 kN重車后輪軸距為1.3 m，后輪輪距為1.8 m，后輪組數(shù)量為2只，后輪組著地長度為0.325 m，著地寬度為0.580 m。輪負(fù)荷F1=F2=F3=101.75 kN，輪負(fù)荷按照集中力的方式分別施加在距離梁端1.52、2.82、4.12 m處。

假定車輛后輪處在跳板的2道縱桁之間，計算梁的帶板寬度取600 mm，跳板縱桁取12 mm×250 mm，縱骨角鋼取L125 mm×80 mm×12 mm，梁跨距取5.64 m，梁自重為11.25 kN，按照均布載荷Qm施加在梁上。受力分析見圖3。

由圖3可得出：最大彎矩值M=305.881 kN.m，最大彎矩出現(xiàn)在梁的中間位置。最大彎曲應(yīng)力σmax=129.556 MPa<[σ]，最大撓度值fmax=13.562 mm<[f]。 通過以上計算可得出，跳板強(qiáng)度滿足《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2018)的要求。

3.2 跳板強(qiáng)度有限元計算

3.2.1 有限元計算概述

根據(jù)文獻(xiàn)[2]第2篇第9章的規(guī)定，對本船車輛跳板進(jìn)行直接計算。本次計算采用MSC.patran、MSC.nastran有限元軟件。

3.2.2 坐標(biāo)系及有限元模型范圍

坐標(biāo)系：X軸為沿跳板長度方向；Y軸為沿跳板寬度方向；Z軸為沿高度方向。

模型范圍：對跳板整體有限元建模，以跳板的頂板、底板、縱桁和橫梁為主要分析對象。跳板有限元模型見圖4。

圖3 受力分析圖

圖4 跳板有限元模型

3.2.3 有限元模型邊界條件

跳板與船體連接的后端面視為簡支，即3個方向的線位移為零；跳板與碼頭接觸的前端面僅限制跳板的垂向及橫向位移，即Y方向和Z方向的線位移為零。其余位置不做約束。

3.2.4 有限元模型單元網(wǎng)格

模型主要采用板單元、梁單元。板單元以四邊形單元為主，在連接過渡的地方盡量少地采用三角形單元。計算模型的有限元網(wǎng)格按照縱骨間距劃分(間距為300 mm)，跳板的頂板、底板、縱桁和橫梁均采用板單元進(jìn)行模擬。

3.2.5 材料屬性

跳板鋼板均采用中國船級社認(rèn)可的船用鋼板AH36，屈服強(qiáng)度不小于345 MPa。材料的物理參數(shù)如下：楊氏模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3。

3.2.6 施加載荷

假設(shè)車輛的3根后軸處在跳板的中間位置，把車輛的輪載荷按照面載荷的方式施加在車輛輪印所對應(yīng)的單元上，跳板自重由程序計入。

4 跳板強(qiáng)度計算結(jié)果

利用MSC.nastran軟件對有限元模型進(jìn)行整體求解，得出跳板的最大等效應(yīng)力為32.8 MPa，最大剪切應(yīng)力為18.4 MPa，最大撓度值為6.45 mm。上述值與按照《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2018)計算的結(jié)果相比較，得出跳板有限元計算值小于規(guī)范計算值。有限元計算結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 跳板等效應(yīng)力云圖

圖6 跳板撓度值云圖

5 結(jié)論

本文對滾裝船跳板整體強(qiáng)度做了有限元分析，主要結(jié)論如下：

(1)滾裝船車輛跳板設(shè)計成箱形結(jié)構(gòu)，可以載運(yùn)800 kN的重車，為蓬萊—長島航線上的客滾船跳板設(shè)計提供了一種可行的方案。

(2)箱形結(jié)構(gòu)跳板的整體應(yīng)力水平較低但撓度值偏大。跳板設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)降低縱桁間距，并在跳板的底部加設(shè)縱向構(gòu)件。