船舶行車梁強度校核與分析

蔣 萍

（舟山中遠海運重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

行車梁在船舶設(shè)備轉(zhuǎn)運中承擔(dān)著重要作用，其強度對保障船舶安全性非常重要。本文基于ANSYS Workbench對154 000載重噸穿梭油輪的行車梁進行強度分析，校核設(shè)計方案的安全性，以期為船舶行車梁的設(shè)計和校核提供一定參考。

1 校核方法

在本例中，行車梁設(shè)計為超靜定梁，傳統(tǒng)手工強度計算方法不僅復(fù)雜繁瑣，還無法同時計算結(jié)構(gòu)對變載荷及動態(tài)載荷的響應(yīng)。ANSYS Workbench軟件作為一款成熟的有限元分析軟件，操作簡便，計算結(jié)果精確，計算效率高。因此，本文采用ANSYS Workbench進行行車梁強度分析，建立相應(yīng)有限元模型，并探討邊界加載和接觸處理的方法。

通過ANSYS Workbench的有限元瞬態(tài)動力學(xué)模塊可計算結(jié)構(gòu)對動態(tài)載荷的響應(yīng)，仿真計算不僅可考慮大屈曲變形、接觸和材料非線性，還可分析載荷和接觸突變狀態(tài)。瞬態(tài)動力學(xué)方程和動力學(xué)基本方程是一致的，均為2階非齊次微分方程，求解方法包括模態(tài)疊加法和直接積分法。使用有限元瞬態(tài)動力學(xué)模塊對行車吊梁模型進行強度分析，驗證工字鋼規(guī)格選取的合理性，對設(shè)計工作和安全性能的評定起到良好的支撐作用。

2 有限元分析

行車梁示意圖見圖1，其吊鉤工作行程約9.1 m，配套2個安全工作載荷為10 t的手拉行車，行車梁選用I56b型工字鋼，行車梁上部通過肘板與船體結(jié)構(gòu)焊接，行車梁下端面焊接齒條供行車走動，行車輪直徑為200 mm，兩輪間距340 mm。

圖1 行車梁示意圖（單位：mm）

2.1 有限元模型簡化

行車梁的截面圖見圖2。行車梁在不同位置設(shè)置若干支撐點，并通過十字型肘板與船體結(jié)構(gòu)焊接在一起。肘板采用普通鋼板，厚度為20 mm。工字鋼上、下面板的等效厚度均為21 mm，中間腹板厚度為15 mm。在對行車梁建模時，采用如下簡化方案：將行車簡化為輪轂，忽略工字鋼的圓角特征及其余部件，使用等效尺寸建模。

圖2 行車梁截面圖（單位：mm）

1）方案一：采用三維實體單元進行分析，網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格，尺寸設(shè)為20 mm，采用自動劃分網(wǎng)格方法進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為9萬個，節(jié)點數(shù)量為17.9萬個，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.73。

2）方案二：使用殼單元模擬工字梁，在Design Modeler中通過抽中面的方式得到需要的殼體模型。輪轂直徑為200 mm，主要受到垂向力作用；工字梁的面板厚度為21 mm，同時受到彎矩和垂向力的作用。因此，推測工字梁部分變形較大。為保證移動載荷主要作用在工字梁上，通過1 mm厚的薄面體對輪轂進行模擬。網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，尺寸設(shè)為20 mm，網(wǎng)格數(shù)量為14 971個，節(jié)點數(shù)量為15 404個，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.94。

對比方案一和方案二可知，方案二網(wǎng)格數(shù)量較少，但網(wǎng)格質(zhì)量要高很多，且方案二的計算時間短，計算資源消耗少。因此，本文選擇方案二進行建模分析。行車梁網(wǎng)格劃分情況見圖3。

圖3 行車梁網(wǎng)格劃分情況

2.2 瞬態(tài)結(jié)果分析

使用共節(jié)點的方式連接工字鋼和肘板殼單元，將行車簡化為薄面體，將安全工作載荷分布于每個薄面體上，薄面體和梁面板之間采用摩擦接觸，由于該摩擦為滾動摩擦，故摩擦系數(shù)設(shè)為0.1。將初始時間步長、最小時間步長和最大時間步長分別設(shè)置為0.01 s、0.01 s和0.1 s。

行車梁強度分析主要設(shè)置以下3種工況：

1）工況1。一輛行車靜止于梁的一端，另一輛行車從梁的另一端移動。

2）工況2。兩行車分別從梁的兩端同時向中間移動。

3）工況3。兩行車均從梁的一端移動至另一端。

工況1計算結(jié)果、應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖分別見表1、圖4和圖5。最大等效應(yīng)力為20.8 MPa，安全系數(shù)大于 10，各時間步支座反力的差異控制在1.22%之內(nèi)，可認為反力不隨時間變化。由應(yīng)力值和變形量可知，方案1中行車梁是安全的。

表1 工況1計算結(jié)果（瞬態(tài)）

圖4 工況1應(yīng)力云圖

圖5 工況1應(yīng)變云圖

工況2計算結(jié)果見表2，最大等效應(yīng)力為7.54 MPa，各時間步支座反力的差異控制在1.4%之內(nèi)。

表2 工況2計算結(jié)果（瞬態(tài)）

工況3計算結(jié)果、應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖分別見表3、圖6和圖7。最大等效應(yīng)力為24.3 MPa，高出工況1 3.5 MPa，這是由于受到慣性力所致。各時間步支座反力的差異控制在1.15%之內(nèi)。工況3的應(yīng)力、應(yīng)變值呈“大→小→大”變化趨勢，當(dāng)行車在梁中間時應(yīng)力和應(yīng)變達到最小值。

表3 工況3計算結(jié)果（瞬態(tài)）

圖6 工況3應(yīng)力云圖

圖7 工況3應(yīng)變云圖

2.3 靜態(tài)結(jié)果分析

使用靜態(tài)模塊計算應(yīng)力和應(yīng)變情況，共設(shè)計 2種工況：

1）工況4。2輛行車分別布置在梁的兩端。

2）工況5。2輛行車同時布置在梁的同一端。

2種工況的計算結(jié)果、應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖分別見表4、圖8和圖9。工況5的最大等效應(yīng)力高于工況 4。應(yīng)力最大值出現(xiàn)于工字梁中間腹板和地板交界處，安全系數(shù)為2.1，滿足強度要求。

表4 計算結(jié)果（靜態(tài)）

圖8 應(yīng)力云圖（靜態(tài)）

圖9 應(yīng)變云圖（靜態(tài)）

續(xù)圖9 應(yīng)變云圖（靜態(tài)）

3 結(jié)論

行車梁的強度對保障船舶的安全性非常重要。本文對154 000載重噸穿梭油輪的行車梁進行強度分析，先通過瞬態(tài)分析得出最大應(yīng)力出現(xiàn)時行車所在位置，再通過靜態(tài)分析結(jié)構(gòu)強度，可節(jié)省計算資源，確保強度校核的準確性，保證了行車梁的安全性。