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        49 m全回轉(zhuǎn)車客渡船吊臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

        2016-06-24 05:52:17李書豐張曙光
        江蘇船舶 2016年2期
        關(guān)鍵詞:吊臂有限元法

        李書豐,張曙光

        (1.江蘇省船舶設(shè)計研究所有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.上海海事大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,上海 201306)

        49 m全回轉(zhuǎn)車客渡船吊臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

        李書豐1,張曙光2

        (1.江蘇省船舶設(shè)計研究所有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.上海海事大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,上海 201306)

        摘要:以某49 m全回轉(zhuǎn)車客渡船為研究對象,以《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)為依據(jù),利用有限元方法對該渡船吊臂及吊臂所在處船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核。計算結(jié)果表明,吊臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合規(guī)范要求。該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法為同類型船舶在吊臂及吊臂處船體結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化、強(qiáng)度加強(qiáng)提供參考。

        關(guān)鍵詞:全回轉(zhuǎn)推進(jìn);車客渡船;吊臂;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;有限元法

        0引言

        49 m全回轉(zhuǎn)車客渡船是專用于鎮(zhèn)揚(yáng)汽渡碼頭營運(yùn)的長江車客渡船。該船舶首尾兩端均配置全回轉(zhuǎn)推進(jìn)設(shè)備,可靠泊碼頭,航行時船舶無需調(diào)頭,汽車上下船舶無需倒車,縮短了擺渡的時間。在甲板的四角設(shè)吊臂和跳板,便于汽車的開上開下。渡船在航行時通過設(shè)于吊臂上的液壓油缸,利用鋼絲繩將跳板起吊后緊貼吊臂。如遇大風(fēng)大浪等惡劣航行條件時會造成跳板上下跳動,從而對吊臂形成沖擊,此時吊臂處于最不利載荷狀態(tài)。因此,為保證渡船航行安全,吊臂必須有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。利用有限元對49 m全回轉(zhuǎn)車客渡船吊臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,優(yōu)化吊臂結(jié)構(gòu),同時對吊臂所在區(qū)域的主船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核,保證船舶正常作業(yè)。

        1吊臂結(jié)構(gòu)說明

        2許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

        (1)根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009) 中11.7.6.2規(guī)定:吊臂結(jié)構(gòu)的許用相當(dāng)應(yīng)力為[σe]=181 MPa。

        (2)吊臂下船體支撐結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2014修改通報) 中14.7.2.5選取,應(yīng)力衡準(zhǔn)表見表1。表中:σe為板單元相當(dāng)應(yīng)力;σz為梁構(gòu)件單元節(jié)點(diǎn)合成應(yīng)力;τ為板或梁構(gòu)件剪切應(yīng)力。

        圖1 吊臂跳板裝置示意圖

        圖2 吊臂內(nèi)側(cè)壁結(jié)構(gòu)圖

        3有限元校核計算

        3.1有限元模型

        49 m長江車客渡船艏、艉及吊臂為左右對稱結(jié)構(gòu)。模型范圍:縱向從Fr95橫艙壁到船艏;橫向為整個船寬。模型甲板、強(qiáng)構(gòu)件腹板采用二維3、4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬,其他縱骨、橫梁以及強(qiáng)構(gòu)件面板等用2節(jié)點(diǎn)梁單元模擬。有限元模型如圖3所示。

        表1 應(yīng)力衡準(zhǔn)表

        圖3 有限元模型

        本模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 179,單元數(shù)為6 335。

        模型材料:彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比0.3,密度7.85 t/m3。

        3.2坐標(biāo)系

        本模型坐標(biāo)系為:X軸指向船首為正;Y軸由原點(diǎn)指向左舷為正;Z軸垂直向上為正。

        3.3邊界條件

        模型一端面(Fr95橫艙壁)所有節(jié)點(diǎn)上施加ux=uy=uz=0、θy=θz=0約束,另一端面所有節(jié)點(diǎn)上施加uy=uz=0、θy=θz=0約束;一舷實肋板端部節(jié)點(diǎn)上施加uy=uz=0約束,另一舷實肋板端部節(jié)點(diǎn)上施加uz=0約束。

        3.4受力分析

        主跳板、付跳板及附屬構(gòu)件的總質(zhì)量約為21 t,每邊鋼絲繩的拉力約為115 kN。考慮附加沖擊載荷,鋼絲繩拉力增加30%,以150 kN計算。吊臂作用點(diǎn)受力示意圖如圖4所示。圖中:F為鋼絲繩拉力,F(xiàn)=150 kN;Fx為X軸向分力,F(xiàn)x=150 sin40°=96 kN;Fz為Z軸向分力,F(xiàn)z=150 cos40°=115 kN;Tx為支座X軸向支撐力,Tx=F-Fx=54 kN;Tz為支座Z軸向支撐力,Tz=115 kN。

        吊臂受力點(diǎn)施加力為:

        <-54 kN, 0 kN, -115 kN>。

        3.5計算結(jié)果

        根據(jù)以上所述的計算載荷和邊界條件,利用有限元分析軟件MSC.Patran、MSC.Nastran得出如圖5所示吊臂結(jié)構(gòu)的相當(dāng)應(yīng)力云圖,其最大應(yīng)力值σe=133 MPa。

        有限元分析應(yīng)力結(jié)果匯總見表2。

        圖4 吊臂受力示意圖

        圖5 吊臂結(jié)構(gòu)相當(dāng)應(yīng)力圖

        結(jié)構(gòu)分類應(yīng)力種類許用值/MPa實際最大值/MPa吊臂σe181133甲板板σe15554船體外板σe15556.2甲板縱桁σz15525.4強(qiáng)橫梁σz17545.3橫艙壁板σe17510.1甲板縱骨σz16570.1肋骨σz18831.4艙壁扶強(qiáng)材σz18865.7板及骨材剪應(yīng)力τ9117.8

        通過有限元分析得出的結(jié)果可知:

        (1)此吊臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及吊臂所在的主船體結(jié)構(gòu)是滿足規(guī)范要求的,且此計算施加的載荷是假設(shè)整個跳板的重量都由吊臂承載。實船上的主跳板通過鉸鏈與主船體的首(尾)封板連接,主船體對跳板也有一定支撐作用。

        (2)從吊臂結(jié)構(gòu)相當(dāng)應(yīng)力云圖可以看出,吊臂最大相當(dāng)應(yīng)力在內(nèi)側(cè)壁向主船體過渡位置處,此處簡化模型采用的是折邊形式。實船上,吊臂懸伸底板圓弧過渡至主船體甲板上可減小應(yīng)力集中。吊臂的上頂板和下底板及扶強(qiáng)材具有一定的安全裕度,從考慮減輕吊臂自身重量出發(fā),

        可將下底板板厚減小至12 mm,適當(dāng)減小扶強(qiáng)材的規(guī)格。上頂板因承載液壓油缸,保留其規(guī)格。車客渡船的甲板結(jié)構(gòu)采用AH36高強(qiáng)度鋼,吊臂也可考慮使用高強(qiáng)度鋼。吊臂的結(jié)構(gòu)規(guī)格可適當(dāng)減小,這樣既控制了自重,又增大了吊臂的安全裕度。

        (3)吊臂內(nèi)側(cè)壁對應(yīng)主甲板下的縱向骨架具有相當(dāng)大的應(yīng)力,因此將吊臂內(nèi)壁與主甲板骨架對應(yīng)是有必要的(外壁對應(yīng)主船體舷側(cè))。在進(jìn)行設(shè)計主船體結(jié)構(gòu)時,為保證結(jié)構(gòu)的安全應(yīng)考慮將此處甲板縱骨加強(qiáng),或調(diào)整主船體縱向骨架,將吊臂內(nèi)側(cè)壁與縱向強(qiáng)構(gòu)件對應(yīng)。

        4保險措施

        當(dāng)船舶在大風(fēng)大浪惡劣條件下航行時,可采取相應(yīng)措施減小跳板跳動對吊臂的沖擊。

        方法1:用插銷通過耳板將跳板與吊臂連接。這種方法需要人力去船兩端不斷地循環(huán)插、拔銷子,對航行在長江兩岸,航程約10 min的渡船來說就顯得比較煩瑣。

        方法2:應(yīng)用電磁自鎖裝置不定期控制跳板。當(dāng)跳板收起到位時,該裝置彈出銷軸進(jìn)入吊耳孔;需放下跳板時,通過電磁力拉動銷軸使其與耳板脫離,跳板隨之放下。這種方法減輕了船員的勞動強(qiáng)度,但日后該裝置可能需要檢修。另外,用插銷的方法對耳板、吊臂上的孔精度要求比較高,若跳板在使用后出現(xiàn)變形,會導(dǎo)致2個孔對不上,銷軸插不進(jìn)去,從而失去作用。

        方法3:在吊臂前端用一小型油缸驅(qū)動吊鉤鉤住跳板上的耳板,這方法不需要較高的配合間隙。

        方法1比較麻煩,通常渡船只在惡劣天氣條件下才會使用,方法2和方法3可在任何通航條件就能方便實施,且這樣做不僅防止跳板上下跳動,還能避免鋼絲繩脫落、耳板斷裂等意外情況造成跳板下落,防止事故發(fā)生。用船單位可根據(jù)自身實際情況選擇合適的方法,使跳板和吊臂連接在一起,減小惡劣天氣條件下船舶航行時吊臂所受的載荷。

        5 結(jié)語

        (1)由有限元計算結(jié)果表明,吊臂結(jié)構(gòu)在最不利載荷狀態(tài)下是安全的,再通過相應(yīng)保險措施可減小吊臂所受的沖擊載荷,從而增大吊臂安全系數(shù)。

        (2)低矮箱式吊臂跟以往的高起式吊架相比,能使跳板和吊臂貼合在一起,再用保險銷進(jìn)行固定,避免跳板上下跳動造成的沖擊。

        參考文獻(xiàn):

        [1]中國船級社. 鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[M]. 北京:人民交通出版社,2009.

        收稿日期:2015-03-26

        作者簡介:李書豐(1981—),男,工程師,從事船舶設(shè)計工作;張曙光(1976—),男,碩士研究生,高級工程師,從事船舶與海洋工程設(shè)計與建造工作。

        中圖分類號:U661.43

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

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