系船柱接觸有限元分析

印夢林　聶云亮

摘 要：基于有限元計算方法，以重慶涪陵區濱江路龍王沱某旅游碼頭改擴建工程為依托，采用非線性理論建立三維系船柱結構仿真模型，在設計工況下對錨桿與混凝土、系船柱底座與混凝土之間進行接觸分析和計算。通過對接觸狀態及接觸部位的應力分布研究，得到系船柱底座及錨桿分布規律等主要結論。

關鍵詞：系船柱 非線性有限元法 接觸分析

系船柱在碼頭建設中應用廣泛，其作用是為船舶提供系錨點，承擔系纜力。其結構可靠度對船舶停靠安全起至關重要的作用，特別是洪水期船舶的系纜力較大，如果系船柱不能安全工作，船舶在洪水的推動下將會對下游橋梁、壩體等產生嚴重威脅。但目前關于系船柱的計算文獻較少，有必要對其進行進一步研究。本文基于ANSYS分析軟件，采用非線性接觸有限元法，建立了三維系船柱計算模型，研究系船柱應力應變狀態以及錨桿與混凝土、系船柱底座與混凝土之間的接觸應力應變分布規律。

1、模型建立

根據以上尺寸，利用ansys workbench DM模塊建立系船柱三維實體模型圖2及有限元網格圖3。

其中，有限元網格節點數為56849，單元數256402。

2、邊界條件及接觸設置

本模型所受的荷載主要來自船舶的系纜力，按設計計算出的系纜力直接施加到有限元模型上，即為沿X方向1000KN。邊界條件為樁底施加固端約束；樁身埋入土中，對其施加沿徑向、軸向和切向的固定約束。接觸設置：在底座與混凝土、錨桿與混凝土之間采用接觸摩擦模型，摩擦系數為0.3，在錨底與混凝土之間采用接觸綁定模型。

3、計算結果及分析

3.1主應力成果及分析

由第一主應力云圖可知：在系船柱X正向產生壓應力，應力最大值為17.07MPa；X負向產生拉應力，拉應力值為50MPa，局部區域拉應力值較大，最大接近71.14MPa，最大拉應力產生在系船柱X負向，約為71.14MPa。這與材料力學分應力分布基本相同。

3.2等效應力成果及分析

在等效應力圖中，可以看到最大等效應力出現在系船柱X正向其值為65.46MPa，表明X正向更容易出現屈服現象，但本算例中的鋼材的屈服應力遠大于65.46MPa，固不會產生屈服。

3.3接觸分析成果

a.接觸主應力分析

由圖6可以看出，在系船柱底板與混凝土樁接觸過程中，系船柱沿X正向應力逐漸增大，最大值壓應力出現在其邊緣部分，大小為1.63MPa。錨桿與混凝土接觸規律為：沿X正向，錨桿受力逐漸減小，最大拉應力出現在X負向，大小約為66MPa。產生這種規律的原因是當系船柱受到沿X正向的系纜力時產生X正向的應變，由于底端被錨桿和混凝土固定，系船柱將產生順時的彎矩，在X負向，抗彎彎矩主要由錨桿提供，固X負向錨桿受拉。而在X正向，抗彎彎矩主要由混凝土提供，固錨桿應力幾乎為零。

b.接觸等效應力分析

由圖7可以看出，屈服應力最大產生在X負向的錨桿上，大小約為70.42MPa。說明錨桿比系船柱更容易產生屈服。

結論

提供了有限元法計算系船柱的方法。得到了系船柱錨桿及系船柱底座的應力分布規律：系船柱底座沿X軸應力逐漸增大。錨桿沿X正向，應力逐漸減小，最大拉應力出現在X負向。比起系船柱來，系船錨桿更容易屈服，是系船柱設計的一個控制點。

參考文獻：

[1]何本國.ANSYS土木工程應用實例[M].3版.北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]王作高.船閘設計[M].北京：水利水電出版社， 1992.

[3]高誠. 關于昂蒂費爾油碼頭油輪?？亢拖道|條件的研究[J]. 水運工程. 1980（10）.

[4]賈立校，趙倉龍. 船舶系纜力數值計算模型及纜繩配置研究.

（作者單位：長江萬州航道管理處）