论文部分内容阅读
摘要：为解决车客渡船跳板在实际营运过程中产生的变形问题，文章以“奇石车渡01”车客渡船跳板为例，利用Patran&Nastran有限元软件对跳板进行强度校核计算，并对比规范分析变形的主要原因。通过合理改变跳板结构尺寸，提出跳板在使用过程中的防护措施，同时为跳板结构的设计和修理改装提供依据。
关键词：车客渡船;跳板;变形;有限元分析
中图分类号：U674. 192文献标识码：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 047
文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0180 - 02
0引言
随着经济的发展，人民生活水平不断提高，汽车出行越来越普遍。车客渡船作为航行于江河、湖泊、海峡及岛屿之间的运输船舶，主要用于载运旅客、货物和车辆。跳板作为车客渡船与码头连接的桥梁，在设计时一般根据规范中的相关条款进行结构规范计算和设计，往往偏重于结构强度，对其变形的影响考虑较少。但跳板变形严重必定影响车客渡船的正常使用，甚至在车辆上下跳板时存在安全隐患。本文以“奇石车渡01”车客渡船跳板为例，利用Patran&Nastran有限元软件对跳板进行强度校核计算。经过计算并对比规范，分析产生变形的主要原因，提出跳板结构相应的防护措施和主要的加强方法。
1 实船跳板结构和有限元模型描述
（1）该船设计时，跳板结构按照《钢质内河船舶建造规范（2009）》[1]有关条款进行结构规范计算与取值。跳板结构形式采用纵骨架式，由跳板面板、强横梁、跳板纵骨及车道下强纵桁、边纵桁、中纵桁等组成。该船的跳板结构设计图纸与实船一致，纵向长度为8 820 rrrn，横向宽度为4 000 mm，其结构尺寸如表1所示。
（2）存在的问题：实船跳板明显呈抛物线弯曲变形，其中部弯曲变形最大。经测量最大变形值为39 mm，其变形量已经超出规范的极限值（29.4 mm）。
（3）根据实船跳板结构应用有限元软件Patran&Nastran建立三维有限元模型（见图1）。模型中跳板面板用shell单元建模，横向和纵向骨材用beam单元建模，整个模型共有单元4 728个，节点4 446个。
2 边界条件和载荷工况
2.1 边界条件
按照中国船级社《钢质内河船舶建造规范（2009》[1]l的规定施加边界条件。
（1）在与船端连接的铰链节点上施加纵向、横向、垂向线位移约束，即Ux=Uy=Uz=0;
（2）在另一端的两角节点上施加横向、垂向线位移约束，即Uy=Uz=0。
2.2 载荷工况
假设车辆匀速缓慢通过跳板，不计惯性力[2]，车客渡船跳板主要承受跳板自身重力和通过汽车的重力。
（1）跳板自重以惯性载荷的形式加载到模型中，跳板自重载荷g=9.81 N/kg。
（2）选车辆跳板载荷以集中力的形式分别施加在车辆跳板下强纵桁的跨距中点上时为最不利工况。根据规范，车辆跳板载荷按设计车辆轴负荷的1.2信确定，所以施加力的大小为7 x1.2×9.8x1000=82 320 N（设计车辆的轴负荷为7 t）。
3 总纵强度计算及强度校核
3.1 实船总纵强度计算及强度校核
分别按照中国船级社《钢质内河船舶建造规范（2009）》[1l第14章和《钢质内河船舶建造规范（201 6）》[8]关于船舶局部强度计算方法以及许用应力标准，根据所建有限元模型对本船跳板结构的强度进行校核，并进行比较。表2～4给出了跳板各构件的应力最大值和挠度值，图2为改变结构前跳板应力、应变云图。根据计算结果可以看出，跳板结构强度和剪切应力都满足规范的要求，而且有一定的富余度，但是跳板挠度计算值大于规范的极限值，不满足规范的要求。
3.2 改变跳板结构尺寸后强度计算和校核
为了使跳板的最大挠度值满足规范要求，对其构件进行加强。通过模拟将边纵桁和中间纵桁结构尺寸由L8×275/75改为L13×275/150（即在L8×275/75背面加L5×275/75），以减少跳板骨材的挠度。后页图3为改变结构后跳板应力、应变云图。通过与未改变结构前的计算值进行比较，跳板各构件的应力和挠度值有明显的下降，且都满足规范的要求。
4 结语
（1）通过有限元计算分析，其结构强度满足规范的要求，但挠度值超出了规范的要求，主要结构骨材挠度最大值位于跳板的跨距中间。实际跳板在使用过程中由于产生的挠度过大，且挠度最大的位置也是车辆跳板的中间位置，从而使跳板中部弯曲变形严重，呈抛物线形状。实船跳板变形结果与模型计算结果基本一致。
（2）为减少汽车通过跳板时动载荷对跳板強度和挠度的影响，建议车辆匀速缓慢通过跳板。
（3）在外载荷和边界条件一定的情况下，纵向构件是跳板的强度和挠度的主要影响因素。建议合理地缩短跳板纵向构件的跨距，相应加大纵向构件的尺寸，合理减小横向构件的尺寸，以减小跳板的变形量和减轻跳板重量。
（4）由于有限元计算过程中没有考虑到跳板骨架的焊接质量影响，为了避免挠度过大而拉裂焊接结构，建造或修理改装时，应严格按照设计焊接规格施焊。
（5）建议设计车客渡船跳板结构时，应用结构规范设计和有限元分析进行合理优化结构。
参考文献
[1]中国船级社.钢质内河船舶建造规范（2009）[Z].
[2]郑锡超，尹群，陈国祥，等.基于lsight/Nastan的车渡船跳板结构优化设计[J].舰船科学技术，2011，33（9）：44 - 47.
[3]中国船级社.钢质内河船舶建造规范（2016）[Z].
[4]朱国锋，包青，张礼责，等.汽车渡船主跳板强度试验验证及有限元研究[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2017，31 （4）：427- 432.
[5]尉宁，孙海晓.客滚船跳板结构设计及有限元分析[J].船舶设计通讯，2015（22）：32 - 35.
[6]仇远旺，丁志龙，郑发彬，等.滚装船车辆跳板结构强度研究[J].机电技术，2009，32（4）：112 -113。
[7]王国水.车辆跳板和引桥设计[J].船舶，201 2，23（6）：39 - 42.
[8]朱志宏.基于影响线法的汽车渡船跳板主梁的强度计算[J].山东交通学院学报，201 2，20（2）：1 7- 20.
作者简介：廖燕辉（1985-），工程师，研究方向：船舶检验。
关键词：车客渡船;跳板;变形;有限元分析
中图分类号：U674. 192文献标识码：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 047
文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0180 - 02
0引言
随着经济的发展，人民生活水平不断提高，汽车出行越来越普遍。车客渡船作为航行于江河、湖泊、海峡及岛屿之间的运输船舶，主要用于载运旅客、货物和车辆。跳板作为车客渡船与码头连接的桥梁，在设计时一般根据规范中的相关条款进行结构规范计算和设计，往往偏重于结构强度，对其变形的影响考虑较少。但跳板变形严重必定影响车客渡船的正常使用，甚至在车辆上下跳板时存在安全隐患。本文以“奇石车渡01”车客渡船跳板为例，利用Patran&Nastran有限元软件对跳板进行强度校核计算。经过计算并对比规范，分析产生变形的主要原因，提出跳板结构相应的防护措施和主要的加强方法。
1 实船跳板结构和有限元模型描述
（1）该船设计时，跳板结构按照《钢质内河船舶建造规范（2009）》[1]有关条款进行结构规范计算与取值。跳板结构形式采用纵骨架式，由跳板面板、强横梁、跳板纵骨及车道下强纵桁、边纵桁、中纵桁等组成。该船的跳板结构设计图纸与实船一致，纵向长度为8 820 rrrn，横向宽度为4 000 mm，其结构尺寸如表1所示。
（2）存在的问题：实船跳板明显呈抛物线弯曲变形，其中部弯曲变形最大。经测量最大变形值为39 mm，其变形量已经超出规范的极限值（29.4 mm）。
（3）根据实船跳板结构应用有限元软件Patran&Nastran建立三维有限元模型（见图1）。模型中跳板面板用shell单元建模，横向和纵向骨材用beam单元建模，整个模型共有单元4 728个，节点4 446个。
2 边界条件和载荷工况
2.1 边界条件
按照中国船级社《钢质内河船舶建造规范（2009》[1]l的规定施加边界条件。
（1）在与船端连接的铰链节点上施加纵向、横向、垂向线位移约束，即Ux=Uy=Uz=0;
（2）在另一端的两角节点上施加横向、垂向线位移约束，即Uy=Uz=0。
2.2 载荷工况
假设车辆匀速缓慢通过跳板，不计惯性力[2]，车客渡船跳板主要承受跳板自身重力和通过汽车的重力。
（1）跳板自重以惯性载荷的形式加载到模型中，跳板自重载荷g=9.81 N/kg。
（2）选车辆跳板载荷以集中力的形式分别施加在车辆跳板下强纵桁的跨距中点上时为最不利工况。根据规范，车辆跳板载荷按设计车辆轴负荷的1.2信确定，所以施加力的大小为7 x1.2×9.8x1000=82 320 N（设计车辆的轴负荷为7 t）。
3 总纵强度计算及强度校核
3.1 实船总纵强度计算及强度校核
分别按照中国船级社《钢质内河船舶建造规范（2009）》[1l第14章和《钢质内河船舶建造规范（201 6）》[8]关于船舶局部强度计算方法以及许用应力标准，根据所建有限元模型对本船跳板结构的强度进行校核，并进行比较。表2～4给出了跳板各构件的应力最大值和挠度值，图2为改变结构前跳板应力、应变云图。根据计算结果可以看出，跳板结构强度和剪切应力都满足规范的要求，而且有一定的富余度，但是跳板挠度计算值大于规范的极限值，不满足规范的要求。
3.2 改变跳板结构尺寸后强度计算和校核
为了使跳板的最大挠度值满足规范要求，对其构件进行加强。通过模拟将边纵桁和中间纵桁结构尺寸由L8×275/75改为L13×275/150（即在L8×275/75背面加L5×275/75），以减少跳板骨材的挠度。后页图3为改变结构后跳板应力、应变云图。通过与未改变结构前的计算值进行比较，跳板各构件的应力和挠度值有明显的下降，且都满足规范的要求。
4 结语
（1）通过有限元计算分析，其结构强度满足规范的要求，但挠度值超出了规范的要求，主要结构骨材挠度最大值位于跳板的跨距中间。实际跳板在使用过程中由于产生的挠度过大，且挠度最大的位置也是车辆跳板的中间位置，从而使跳板中部弯曲变形严重，呈抛物线形状。实船跳板变形结果与模型计算结果基本一致。
（2）为减少汽车通过跳板时动载荷对跳板強度和挠度的影响，建议车辆匀速缓慢通过跳板。
（3）在外载荷和边界条件一定的情况下，纵向构件是跳板的强度和挠度的主要影响因素。建议合理地缩短跳板纵向构件的跨距，相应加大纵向构件的尺寸，合理减小横向构件的尺寸，以减小跳板的变形量和减轻跳板重量。
（4）由于有限元计算过程中没有考虑到跳板骨架的焊接质量影响，为了避免挠度过大而拉裂焊接结构，建造或修理改装时，应严格按照设计焊接规格施焊。
（5）建议设计车客渡船跳板结构时，应用结构规范设计和有限元分析进行合理优化结构。
参考文献
[1]中国船级社.钢质内河船舶建造规范（2009）[Z].
[2]郑锡超，尹群，陈国祥，等.基于lsight/Nastan的车渡船跳板结构优化设计[J].舰船科学技术，2011，33（9）：44 - 47.
[3]中国船级社.钢质内河船舶建造规范（2016）[Z].
[4]朱国锋，包青，张礼责，等.汽车渡船主跳板强度试验验证及有限元研究[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2017，31 （4）：427- 432.
[5]尉宁，孙海晓.客滚船跳板结构设计及有限元分析[J].船舶设计通讯，2015（22）：32 - 35.
[6]仇远旺，丁志龙，郑发彬，等.滚装船车辆跳板结构强度研究[J].机电技术，2009，32（4）：112 -113。
[7]王国水.车辆跳板和引桥设计[J].船舶，201 2，23（6）：39 - 42.
[8]朱志宏.基于影响线法的汽车渡船跳板主梁的强度计算[J].山东交通学院学报，201 2，20（2）：1 7- 20.
作者简介：廖燕辉（1985-），工程师，研究方向：船舶检验。