考慮局部作用力的內(nèi)河渡船吊臂強度有限元分析

邵偉

摘 要：本文對內(nèi)河渡船的吊臂強度分兩種情況進行了有限元計算，發(fā)現(xiàn)在校核吊臂強度時，必須考慮吊臂受到的局部力的作用。最后，提出了對吊臂局部受力區(qū)域強度的加強方案。

關(guān)鍵詞：吊臂強度;有限元;局部受力

中圖分類號：U653? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0092-03

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對出行的要求越來越高。在未架設(shè)橋梁的的河流上利用汽車渡船載運汽車成為很多地方的首選。相較架設(shè)橋梁，汽車渡船具有成本低、見效快的優(yōu)勢。汽車渡船一般設(shè)有供汽車駛?cè)攵纱装宓奶?。在航行過程中，為防止甲板上浪以及保護汽車和乘客的目的，一般用吊臂將跳板收起，航行至渡口后，再使用吊臂將跳板降落以供汽車和乘客上下渡船。

跳板一般為重達數(shù)噸的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此吊臂的結(jié)構(gòu)強度至關(guān)重要?！朵撡|(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）第1篇第11章對吊臂的剖面尺寸做出了明確的規(guī)定：吊臂的結(jié)構(gòu)強度可按直接計算或按梁理論計算的規(guī)定來校核。

1研究對象

本文以某渡船的吊臂為例，按照直接計算方法對吊臂強度進行計算分析。該吊臂設(shè)有液壓升降系統(tǒng)，其中液壓桿通過鋼索連接動滑輪，動滑輪又通過鋼索連接跳板。工作時，液壓泵驅(qū)動液壓油使液壓桿進出液壓缸，從而帶動動滑輪，進而升降跳板。其中跳板自重23t。

2受力分析

吊臂主要承受鋼索的拉力，因此以鋼索為受力分析對象。受力分析如圖2所示。

在圖2中，F(xiàn)1拉動跳板使其繞鉸鏈（跳板與甲板通過鉸鏈連接）轉(zhuǎn)動。F1、F2、F3、F4為同一鋼索上的拉力，因此F1=F2=F3=F4;液壓桿通過動滑輪升降跳板，因此F5=F3+F4=2F1。因跳板左右對稱，且左右舷對稱設(shè)置一個吊臂，因此按照跳板重量的一半（G/2）進行分析。跳板繞渡船端部的鉸鏈轉(zhuǎn)動，對鉸鏈的銷釘中心取轉(zhuǎn)矩，則*L1+*L2=0，其中L1為鋼索與吊臂的連接點距鉸鏈的垂直距離，L2為跳板重心與鉸鏈的垂直距離。根據(jù)理論力學[1]，當力與轉(zhuǎn)軸相交或力與轉(zhuǎn)軸平行時，力對該轉(zhuǎn)軸的矩等于0。計算得F1=92684.75N。根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》（2007），取1.1倍的安全系數(shù)，則F=1.1F1=101953N。

3有限元計算

3.1 吊臂有限元模型

在圖2中，A處的滑輪受F1和F2作用，B處的眼板受F4的作用，C處的液壓筒支座受F5的作用。整個吊臂受鋼索的作用力為F1、F2、F4、F5，如果不考慮A、B、C處的局部作用力（F2和F4相加之和與F5抵消），那么鋼索對吊臂的作用力只有F1。本文分兩種工況對吊臂的強度進行分析，工況1是只考慮F1對吊臂的作用力，不考慮A、B、C處的局部作用力;工況2考慮F1、F2、F4、F5對吊臂的作用力。

本船在船尾設(shè)兩個對稱布置的吊臂，因此僅建立一個吊臂的有限元模型。該模型包含3695個單元，3179個節(jié)點，坐標原點取吊臂與甲板接觸區(qū)域的中心位置，吊臂縱向為X軸方向，吊臂橫向（船寬方向）為Y軸，吊臂背離甲板的方向為Z軸。吊臂受到的力以MPC方式施加到相應(yīng)的單元節(jié)點上。吊臂有限元模型和施加的載荷如圖3和圖4所示。

3.2 計算結(jié)果分析

經(jīng)過計算后，工況1的最大應(yīng)力為115N/mm2，滿足規(guī)范要求（規(guī)范要求得許用應(yīng)力衡準為135N/mm2），最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊臂彎曲區(qū)域，具體見圖5;工況2的最大應(yīng)力為157 N/mm2，明顯大于許用應(yīng)力衡準，最大應(yīng)力出現(xiàn)在B處眼板區(qū)域，具體見圖6。

規(guī)范只對吊臂的壁厚有明確的要求，但是對吊臂內(nèi)部骨架的結(jié)構(gòu)及尺寸卻沒有明確要求。規(guī)范同時規(guī)定對于吊臂的強度校核可采用直接計算或采用梁理論的規(guī)定進行校核。如果采用梁理論計算吊臂的強度，則假定吊臂為一端固定的懸臂梁，并承受由跳板產(chǎn)生的拉力。這種方法考慮的載荷和工況1采用的載荷一致，都不考慮局部力對吊臂局部區(qū)域強度的影響。雖然在整體上吊臂只承受F1的作用力，但在A、B、C處的應(yīng)力是F1、F2、F4、F5對吊臂產(chǎn)生的應(yīng)力疊加的結(jié)果。

如果不考慮局部力的作用，該吊臂的結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求。而考慮局部力的作用后，則該吊臂的結(jié)構(gòu)強度不滿足規(guī)范要求的許用應(yīng)力衡準。因此必須考慮局部力作用區(qū)域的結(jié)構(gòu)加強或?qū)υ撎幍慕Y(jié)構(gòu)重新設(shè)計，才能確保吊臂的強度滿足要求。

方案a：盡可能避免在吊臂上產(chǎn)生局部力。可以在A處直接設(shè)一小型的電動卷揚機來收放跳板。這樣整個吊臂只承受F1的作用，無論采用直接計算還是梁理論計算吊臂的強度都不用考慮局部力的影響。工況1的模型和計算結(jié)果就是對應(yīng)的方案1。

方案b：對承受局部力的區(qū)域進行結(jié)構(gòu)加強。本方案在眼板下面設(shè)置沿吊臂方向的加強結(jié)構(gòu)，長約0.6m的角鋼（L100×63×8，和吊臂內(nèi)部橫框架結(jié)構(gòu)的尺寸一致）。采用該方案后，局部受力區(qū)域的應(yīng)力明顯降低，而且最大應(yīng)力的位置也發(fā)生了變化，整個吊臂的應(yīng)力狀態(tài)和工況1類似。

方案a和方案b的最終應(yīng)力大小和分布基本一致。對于方案a，匹配到一個起重能力強且體積小、價格便宜的電動機可能會有難度;對于方案b，只要在設(shè)計的時候?qū)植渴芰^(qū)域進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強，就可以保證吊臂具有足夠的強度。方案b較方案a有較大的可取性。

4結(jié)論

（1）對吊臂強度進行直接計算時，應(yīng)考慮局部區(qū)域受力的影響。

（2）規(guī)范提出對于吊臂的強度也可按照梁理論進行計算，但是根據(jù)本文的計算結(jié)果，即使使用梁理論計算吊臂強度滿足要求，但是局部受力區(qū)域的強度無法保證是否滿足要求。規(guī)范可要求在設(shè)計的同時使用直接計算和梁理論對吊臂強度進行計算，以保證吊臂具有足夠的強度。

參考文獻：

[1]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室. 理論力學（Ⅰ）[M].第六版.北京：高等教育出版社，2002：76-78.