邵偉

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

關(guān)鍵詞：吊臂強(qiáng)度;有限元;局部受力

中圖分類號(hào)：U653? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）04-0092-03

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)出行的要求越來(lái)越高。在未架設(shè)橋梁的的河流上利用汽車渡船載運(yùn)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(shì)。汽車渡船一般設(shè)有供汽車駛?cè)攵纱装宓奶濉Ｔ诤叫羞^(guò)程中，為防止甲板上浪以及保護(hù)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(dá)數(shù)噸的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此吊臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(duì)吊臂的剖面尺寸做出了明確的規(guī)定：吊臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可按直接計(jì)算或按梁理論計(jì)算的規(guī)定來(lái)校核。

1研究對(duì)象

本文以某渡船的吊臂為例，按照直接計(jì)算方法對(duì)吊臂強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。該吊臂設(shè)有液壓升降系統(tǒng)，其中液壓桿通過(guò)鋼索連接動(dòng)滑輪，動(dòng)滑輪又通過(guò)鋼索連接跳板。工作時(shí)，液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓油使液壓桿進(jìn)出液壓缸，從而帶動(dòng)動(dòng)滑輪，進(jìn)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(duì)象。受力分析如圖2所示。

在圖2中，F(xiàn)1拉動(dòng)跳板使其繞鉸鏈（跳板與甲板通過(guò)鉸鏈連接）轉(zhuǎn)動(dòng)。F1、F2、F3、F4為同一鋼索上的拉力，因此F1=F2=F3=F4;液壓桿通過(guò)動(dòng)滑輪升降跳板，因此F5=F3+F4=2F1。因跳板左右對(duì)稱，且左右舷對(duì)稱設(shè)置一個(gè)吊臂，因此按照跳板重量的一半（G/2）進(jìn)行分析。跳板繞渡船端部的鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)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(diǎn)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(xué)[1]，當(dāng)力與轉(zhuǎn)軸相交或力與轉(zhuǎn)軸平行時(shí)，力對(duì)該轉(zhuǎn)軸的矩等于0。計(jì)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(jì)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(gè)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(duì)吊臂的作用力只有F1。本文分兩種工況對(duì)吊臂的強(qiáng)度進(jìn)行分析，工況1是只考慮F1對(duì)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(duì)吊臂的作用力。

本船在船尾設(shè)兩個(gè)對(duì)稱布置的吊臂，因此僅建立一個(gè)吊臂的有限元模型。該模型包含3695個(gè)單元，3179個(gè)節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)取吊臂與甲板接觸區(qū)域的中心位置，吊臂縱向?yàn)閄軸方向，吊臂橫向（船寬方向）為Y軸，吊臂背離甲板的方向?yàn)閆軸。吊臂受到的力以MPC方式施加到相應(yīng)的單元節(jié)點(diǎn)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(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)計(jì)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(zhǔn)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(zhǔn)，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(duì)吊臂的壁厚有明確的要求，但是對(duì)吊臂內(nèi)部骨架的結(jié)構(gòu)及尺寸卻沒(méi)有明確要求。規(guī)范同時(shí)規(guī)定對(duì)于吊臂的強(qiáng)度校核可采用直接計(jì)算或采用梁理論的規(guī)定進(jìn)行校核。如果采用梁理論計(jì)算吊臂的強(qiáng)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(duì)吊臂局部區(qū)域強(qiáng)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)度不滿足規(guī)范要求的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)。因此必須考慮局部力作用區(qū)域的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)或?qū)υ撎幍慕Y(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，才能確保吊臂的強(qiáng)度滿足要求。

方案a：盡可能避免在吊臂上產(chǎn)生局部力?？梢栽贏處直接設(shè)一小型的電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)來(lái)收放跳板。這樣整個(gè)吊臂只承受F1的作用，無(wú)論采用直接計(jì)算還是梁理論計(jì)算吊臂的強(qiáng)度都不用考慮局部力的影響。工況1的模型和計(jì)算結(jié)果就是對(duì)應(yīng)的方案1。

方案b：對(duì)承受局部力的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。本方案在眼板下面設(shè)置沿吊臂方向的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)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(gè)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(duì)于方案a，匹配到一個(gè)起重能力強(qiáng)且體積小、價(jià)格便宜的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)有難度;對(duì)于方案b，只要在設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)植渴芰^(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，就可以保證吊臂具有足夠的強(qiáng)度。方案b較方案a有較大的可取性。

4結(jié)論

（1）對(duì)吊臂強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮局部區(qū)域受力的影響。

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

參考文獻(xiàn)：

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