挖掘機運輸船受力部位結構強度分析

姜 磊，陳 攀，衣雅琳

(1.交通運輸部水運科學研究院，北京 100088；2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064；3.北京海納川汽車部件股份有限公司，北京 102600)

隨著長江經濟帶建設推進，沿江城鎮化建設加快，作為基建重要工具的挖掘機運輸需求快速增長。挖掘機運輸船在沿江長距離運輸方面具有經濟高效的優勢，尤其在公路限超治理大力推進的情況下，近年來得到持續快速發展。

1 三維有限元模型建立

挖掘機運輸船主尺度如下：總長29.80 m；型寬 5.60 m；型深1.20 m；設計吃水0.52 m；肋距 0.50 m。

本船為單底、單甲板橫骨架式鋼質船。船寬方向設置3道縱向強構件，其中左右各1道，距中1.4 m；船底每檔設置實肋板。在FR26至FR32區間主甲板承受挖掘機重量，局部板厚8 mm。按照中國船級社《鋼質內河船舶建造規范》(2016)[1](以下簡稱《規范》)第1篇第11章相關要求，裝載履帶式車輛時，甲板厚度應按照要求直接計算校核。依據以上要求，本計算工況依據《規范》局部強度相關要求進行校核。

模型區間為NO.8～NO.12，模型包括整個船寬、型深范圍的船體所有主要的縱向結構和橫向結構，對局部的支承構件如肘板等不計入模型中，桁材、肘板的開孔忽略不計[2]。所有主要板材，如甲板、舷側外板、船底板、橫艙壁，船底縱桁、實肋板，舷側縱桁、甲板縱桁、強橫梁、主肋骨等強構件的腹板以及較大的肘板用板單元模擬。板材上的骨材，如橫梁、普通肋骨、艙壁加強筋等結構，以及縱桁、強框架等強構件的面板和肘板的折邊用梁單元模擬。桁架和撐桿用桿單元模擬。船體艙段模型圖見圖1。

圖1 船體艙段模型圖

2 計算工況

2.1 工況確定

按照《規范》第1篇第14章相關要求，對運輸船裝載22 t挖掘機工況進行船體局部強度校核，舷外水共有2個計算工況[3]，分別為靜水吃水加半波高和靜水吃水減半波高。本船航行于C級航區，波高0.5 m。則2個工況分別為：工況1為靜水吃水加半波高，即實際吃水為0.77 m；工況2為靜水吃水減半波高，即實際吃水為0.27 m。

2.2 計算載荷

計算載荷包括以下項目[4]：①自重；②挖掘機重量；③舷外水。船體重量以慣性力的形式施加。挖掘機總重220 kN，主甲板承受挖掘機履帶區域面積為7.46 m2，受力區域平均壓載為28 930 N/m2。

2.3 邊界條件

依據《規范》要求，艙段模型在模型一端所有節點施加位移約束為μx=μy=μz=0，轉角約束為θy=θz=0，在另一端面所有節點施加位移約束μy=μz=0，轉角約束θy=θz=0；在一舷所有實肋板端點施加位移約束μy=μz=0，在另一舷所有實肋板端點施加位移約束μz=0；在兩舷側橫艙壁與船底板交線上的節點施加位移約束μz=0。

3 強度評估

3.1 許用應力

各工況構件應力不大于表1中許用值。

表1 船體構件許用應力標準 MPa

支柱的軸向壓應力[σ]應不大于《規范》中的要求：跨距l=120 cm ，截面積A=7.04 cm2，慣性半徑r=1.99 cm，l/r=60.3<120，則[σ]=101.74 MPa。

3.2 計算結果

經計算，各工況主要結構的應力見表2。工況1和工況2時主甲板和船體外板相當應力見圖2、圖3。

表2 船體構件應力計算結果 MPa

圖2 工況1主甲板和船體外板相當應力云圖

圖3 工況2主甲板和船體外板相當應力云圖

3.3 強度校核

根據計算主甲板、船體外板、縱桁腹板、龍骨腹板、縱桁面板、龍骨面板、橫艙壁、橫向強框架腹板、橫向強框架面板、支柱的最大應力，按照《規范》進行強度校核。

1)主甲板、船體外板、縱桁腹板、龍骨腹板的許用相當應力為165 MPa，許用剪應力為91 MPa。其中龍骨腹板承受的相當應力、剪應力最大，分別為67.30 MPa、38.20 MPa，均小于構件許用應力標準，符合《規范》要求。

2)縱桁面板、龍骨面板的梁單元合成許用應力為155 MPa，其實際承受的梁單元合成應力分別為61.40 MPa、64.90 MPa，均小于構件許用應力標準，符合《規范》要求。

3)橫艙壁、橫向強框架腹板的許用應力為188MPa，許用剪應力為91 MPa，其中，橫向強框架腹板承受的相當應力、剪應力較大，分別為37.00 MPa、19.30 MPa，均小于構件許用應力標準，符合《規范》要求。

4)橫向強框架面板的梁單元許用合成應力為175 MPa，梁單元實際承受的合成應力為61.40 MPa，小于構件許用應力標準，符合《規范》要求。

5)支柱的軸向許用壓應力[σ]為101 MPa，其實際承受的壓應力為11.5 MPa，小于構件許用應力標準，符合《規范》要求。

4 結束語

1)2種工況下，挖掘機運輸船局部結構的應力分布：主甲板、船體外板、橫艙壁、橫向強框架腹板在工況2的應力最大；縱桁腹板、龍骨腹板、縱桁面板、龍骨面板、橫向強框架面板、支柱在工況1的應力最大。因此，在實際運營中，應注意在不同工況時船體構件的應力情況。

2)本文采用有限元方法對29.8 m挖掘機運輸船重要受力部位的局部結構強度進行校核，結果表明該挖掘機運輸船局部強度滿足《規范》要求，且不同工況下各構件受力變化情況不同，研究結論可為其他挖掘機運輸船強度校核提供參考。