有限元分析在車客渡船跳板變形中的應用

摘要：為解決車客渡船跳板在實際營運過程中產生的變形問題，文章以“奇石車渡01”車客渡船跳板為例，利用Patran&Nastran有限元軟件對跳板進行強度校核計算，并對比規范分析變形的主要原因。通過合理改變跳板結構尺寸，提出跳板在使用過程中的防護措施，同時為跳板結構的設計和修理改裝提供依據。

關鍵詞：車客渡船;跳板;變形;有限元分析

中圖分類號：U674. 192文獻標識碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 047

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0180 - 02

0引言

隨著經濟的發展，人民生活水平不斷提高，汽車出行越來越普遍。車客渡船作為航行于江河、湖泊、海峽及島嶼之間的運輸船舶，主要用于載運旅客、貨物和車輛。跳板作為車客渡船與碼頭連接的橋梁，在設計時一般根據規范中的相關條款進行結構規范計算和設計，往往偏重于結構強度，對其變形的影響考慮較少。但跳板變形嚴重必定影響車客渡船的正常使用，甚至在車輛上下跳板時存在安全隱患。本文以“奇石車渡01”車客渡船跳板為例，利用Patran&Nastran有限元軟件對跳板進行強度校核計算。經過計算并對比規范，分析產生變形的主要原因，提出跳板結構相應的防護措施和主要的加強方法。

1 實船跳板結構和有限元模型描述

（1）該船設計時，跳板結構按照《鋼質內河船舶建造規范（2009）》[1]有關條款進行結構規范計算與取值。跳板結構形式采用縱骨架式，由跳板面板、強橫梁、跳板縱骨及車道下強縱桁、邊縱桁、中縱桁等組成。該船的跳板結構設計圖紙與實船一致，縱向長度為8 820 rrrn，橫向寬度為4 000 mm，其結構尺寸如表1所示。

（2）存在的問題：實船跳板明顯呈拋物線彎曲變形，其中部彎曲變形最大。經測量最大變形值為39 mm，其變形量已經超出規范的極限值（29.4 mm）。

（3）根據實船跳板結構應用有限元軟件Patran&Nastran建立三維有限元模型（見圖1）。模型中跳板面板用shell單元建模，橫向和縱向骨材用beam單元建模，整個模型共有單元4 728個，節點4 446個。

2 邊界條件和載荷工況

2.1 邊界條件

按照中國船級社《鋼質內河船舶建造規范（2009》[1]l的規定施加邊界條件。

（1）在與船端連接的鉸鏈節點上施加縱向、橫向、垂向線位移約束，即Ux=Uy=Uz=0;

（2）在另一端的兩角節點上施加橫向、垂向線位移約束，即Uy=Uz=0。

2.2 載荷工況

假設車輛勻速緩慢通過跳板，不計慣性力[2]，車客渡船跳板主要承受跳板自身重力和通過汽車的重力。

（1）跳板自重以慣性載荷的形式加載到模型中，跳板自重載荷g=9.81 N/kg。

（2）選車輛跳板載荷以集中力的形式分別施加在車輛跳板下強縱桁的跨距中點上時為最不利工況。根據規范，車輛跳板載荷按設計車輛軸負荷的1.2信確定，所以施加力的大小為7 x1.2×9.8x1000=82 320 N（設計車輛的軸負荷為7 t）。

3 總縱強度計算及強度校核

3.1 實船總縱強度計算及強度校核

分別按照中國船級社《鋼質內河船舶建造規范（2009）》[1l第14章和《鋼質內河船舶建造規范（201 6）》[8]關于船舶局部強度計算方法以及許用應力標準，根據所建有限元模型對本船跳板結構的強度進行校核，并進行比較。表2～4給出了跳板各構件的應力最大值和撓度值，圖2為改變結構前跳板應力、應變云圖。根據計算結果可以看出，跳板結構強度和剪切應力都滿足規范的要求，而且有一定的富余度，但是跳板撓度計算值大于規范的極限值，不滿足規范的要求。

3.2 改變跳板結構尺寸后強度計算和校核

為了使跳板的最大撓度值滿足規范要求，對其構件進行加強。通過模擬將邊縱桁和中間縱桁結構尺寸由L8×275/75改為L13×275/150（即在L8×275/75背面加L5×275/75），以減少跳板骨材的撓度。后頁圖3為改變結構后跳板應力、應變云圖。通過與未改變結構前的計算值進行比較，跳板各構件的應力和撓度值有明顯的下降，且都滿足規范的要求。

4 結語

（1）通過有限元計算分析，其結構強度滿足規范的要求，但撓度值超出了規范的要求，主要結構骨材撓度最大值位于跳板的跨距中間。實際跳板在使用過程中由于產生的撓度過大，且撓度最大的位置也是車輛跳板的中間位置，從而使跳板中部彎曲變形嚴重，呈拋物線形狀。實船跳板變形結果與模型計算結果基本一致。

（2）為減少汽車通過跳板時動載荷對跳板強度和撓度的影響，建議車輛勻速緩慢通過跳板。

（3）在外載荷和邊界條件一定的情況下，縱向構件是跳板的強度和撓度的主要影響因素。建議合理地縮短跳板縱向構件的跨距，相應加大縱向構件的尺寸，合理減小橫向構件的尺寸，以減小跳板的變形量和減輕跳板重量。

（4）由于有限元計算過程中沒有考慮到跳板骨架的焊接質量影響，為了避免撓度過大而拉裂焊接結構，建造或修理改裝時，應嚴格按照設計焊接規格施焊。

（5）建議設計車客渡船跳板結構時，應用結構規范設計和有限元分析進行合理優化結構。

參考文獻

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作者簡介：廖燕輝（1985-），工程師，研究方向：船舶檢驗。