49 m全回轉車客渡船吊臂結構強度分析

李書豐,張曙光

(1.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.上海海事大學 經濟管理學院，上海 201306)

49 m全回轉車客渡船吊臂結構強度分析

李書豐1,張曙光2

(1.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.上海海事大學 經濟管理學院，上海 201306)

摘要：以某49 m全回轉車客渡船為研究對象，以《鋼質內河船舶建造規范》(2009)為依據，利用有限元方法對該渡船吊臂及吊臂所在處船體結構進行校核。計算結果表明，吊臂結構強度符合規范要求。該結構強度分析方法為同類型船舶在吊臂及吊臂處船體結構設計、優化、強度加強提供參考。

關鍵詞：全回轉推進；車客渡船；吊臂；結構強度；有限元法

0引言

49 m全回轉車客渡船是專用于鎮揚汽渡碼頭營運的長江車客渡船。該船舶首尾兩端均配置全回轉推進設備，可靠泊碼頭，航行時船舶無需調頭，汽車上下船舶無需倒車，縮短了擺渡的時間。在甲板的四角設吊臂和跳板，便于汽車的開上開下。渡船在航行時通過設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。因此,為保證渡船航行安全，吊臂必須有足夠的結構強度。利用有限元對49 m全回轉車客渡船吊臂結構進行分析，優化吊臂結構，同時對吊臂所在區域的主船體結構進行校核，保證船舶正常作業。

1吊臂結構說明

2許用應力衡準

(1)根據《鋼質內河船舶建造規范》(2009) 中11.7.6.2規定：吊臂結構的許用相當應力為[σe]=181 MPa。

(2)吊臂下船體支撐結構許用應力根據《鋼質內河船舶建造規范》(2014修改通報) 中14.7.2.5選取，應力衡準表見表1。表中：σe為板單元相當應力；σz為梁構件單元節點合成應力；τ為板或梁構件剪切應力。

圖1　吊臂跳板裝置示意圖

圖2　吊臂內側壁結構圖

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構。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、強構件腹板采用二維3、4節點殼單元模擬，其他縱骨、橫梁以及強構件面板等用2節點梁單元模擬。有限元模型如圖3所示。

表1　應力衡準表

圖3　有限元模型

本模型總節點數為4 179，單元數為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坐標系

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

3.3邊界條件

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

3.4受力分析

主跳板、付跳板及附屬構件的總質量約為21 t，每邊鋼絲繩的拉力約為115 kN?？紤]附加沖擊載荷，鋼絲繩拉力增加30%，以150 kN計算。吊臂作用點受力示意圖如圖4所示。圖中：F為鋼絲繩拉力，F=150 kN；Fx為X軸向分力，Fx=150 sin40°=96 kN；Fz為Z軸向分力，Fz=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。

吊臂受力點施加力為：

<-54 kN, 0 kN, -115 kN>。

3.5計算結果

根據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所示吊臂結構的相當應力云圖，其最大應力值σe=133 MPa。

有限元分析應力結果匯總見表2。

圖4　吊臂受力示意圖

圖5　吊臂結構相當應力圖

結構分類應力種類許用值/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強橫梁σz17545.3橫艙壁板σe17510.1甲板縱骨σz16570.1肋骨σz18831.4艙壁扶強材σz18865.7板及骨材剪應力τ9117.8

通過有限元分析得出的結果可知：

(1)此吊臂的結構強度及吊臂所在的主船體結構是滿足規范要求的,且此計算施加的載荷是假設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)從吊臂結構相當應力云圖可以看出，吊臂最大相當應力在內側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力集中。吊臂的上頂板和下底板及扶強材具有一定的安全裕度，從考慮減輕吊臂自身重量出發，

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

(3)吊臂內側壁對應主甲板下的縱向骨架具有相當大的應力，因此將吊臂內壁與主甲板骨架對應是有必要的(外壁對應主船體舷側)。在進行設計主船體結構時，為保證結構的安全應考慮將此處甲板縱骨加強，或調整主船體縱向骨架，將吊臂內側壁與縱向強構件對應。

4保險措施

當船舶在大風大浪惡劣條件下航行時，可采取相應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：應用電磁自鎖裝置不定期控制跳板。當跳板收起到位時，該裝置彈出銷軸進入吊耳孔；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變形，會導致2個孔對不上，銷軸插不進去，從而失去作用。

方法3：在吊臂前端用一小型油缸驅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，防止事故發生。用船單位可根據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 結語

(1)由有限元計算結果表明，吊臂結構在最不利載荷狀態下是安全的，再通過相應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。

(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，再用保險銷進行固定，避免跳板上下跳動造成的沖擊。

參考文獻：

[1]中國船級社. 鋼質內河船舶建造規范[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計與建造工作。

中圖分類號：U661.43

文獻標志碼：A