游艇上下水斜架車有限元計算分析研究

侯小強

（甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050）

游艇上下水斜架車有限元計算分析研究

侯小強

（甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050）

為確保船舶上下水安全，在根據游艇荷載分布的基礎上，提出了斜架車荷載布置及強度校核方法。通過建立有限元模型分析，對節點和單元位移及應力大小變化進行分析，證明斜架車設計的科學性和合理性，且滿足斜架車安全使用要求。

斜架車；有限元；應力分析

0 引言

游艇休閑娛樂活動在我國湖泊、近海等旅游地區已經比較普遍，特別是豪華游艇有助于提高旅游休閑等級和品位，游艇運營和管理工作需要進一步提高。目前針對大型豪華游艇的檢修保養工作，要從安全方面引起足夠重視，許多旅游碼頭附近相繼建立船舶起泊設施，開展大型游艇船舶維修保養工作，另外，北方地區結冰時期，船舶可到船臺處上岸停靠，減少冰的凍融對船體的破壞，因此，保證船舶上下水工作必須建造滿足荷載要求的斜架車。由于斜架車受力分析比較復雜，根據其工作原理，必須明確承載船舶的荷載大小及荷載分布，進行合理力學分析，以滿足設計要求[1，2]。

1 工程簡述

青海湖航運（二期）工程，位于青海湖東南岸邊，隸屬海南州管轄。該工程在船臺區區域布置6條縱向滑道，橫移區設置5條橫移滑道,與陸域前沿垂直處設置一條上下水主滑道向湖中延伸，可供3～4艘船舶修造。船臺區主滑道垂直于湖岸，向湖中延伸，與上、下水滑道銜接，上、下水滑道坡度為1∶18，滑道末端高程為-5.80 m，如圖1所示。

根據工程建設實際情況，搜救中心設計船型為雙體客船，船長42.4 m，型寬12.6 m，空載吃水1.9 m，空載到港排水量343.94 t，總重量500 t。本次對該船上岸保養和檢修工作設置一臺斜架車完成船舶上下水工作任務。

2 斜架車工作原理

船舶落在下水主滑道斜架車上的支墩上→啟動卷揚機拉動斜架車移動到下水滑道頂端→50 t船臺小車液壓頂升托起船舶移動對準橫移滑道→船臺小車橫移至轉向處轉向→移動到船臺區進行修理。

3 荷載布置及結構計算原則

3.1 布荷原則

荷載布置是斜架車進行設計前提，船體空船下水重量及其船體荷載分布直接影響著斜架車桿件布設情況，特別對斜架車在船體上的支承位置進行布置。主要考慮三個因素：（1）斜架車支撐部分設置和船體重量分布一致；（2）斜架車支撐部分與走滑鋼輪一致；（3）斜架車在滑道空間位置和船體荷載不均勻產生集中應力，防止變形過大，對于船體結構和斜架車的薄弱部位，應設置均載胎架使載荷分散[3]。

本次斜架車最大荷載為500 t，計算荷載600 t（120%）超負荷校核，荷載布置根據斜架車空船重量、重心及斜架車滑道布置情況計算，具體如圖2和圖3所示。

3.2 計算及校核原則

斜架車載荷分配時，考慮自重和額定荷載。自重方面，由于采用鋼結構，斜架車體積較大，且滿足較大荷載要求，因此，自重決不能忽視。額定荷載按照設計荷載1.2系數進行計算，斜架車支撐力總和應與船舶設計重量相等，且同船體重心保持平衡[4-5]。斜架車校核，主要計算在設計荷載和自重作用下，其所有桁架桿件的所承受彎矩和軸力拉壓作用下，其桿件和桿件節點處應力是否超過鋼材的屈服應力。

圖1 工程平面布置圖（單位：cm）

圖2 斜架車立面布置圖（單位：mm）

圖3 斜架車橫斷面圖

4 結構布置及力學分析

4.1 結構布置

根據青海湖氣溫在最高溫度25℃，最低溫度在-25℃，鋼材選擇除考慮強度之外，還必須考慮溫度應力變化，因此選用Q235D型鋼材，除強度之外還能滿足我國北方氣候要求。根據其船體空船下水重量、船舶荷載分布及橫移滑道位置，斜架車結構布置如圖2和圖3所示。根據船體荷載不均勻性，橫斷面⑨和⑩每個橫移鋼輪荷載為12 t，①～⑧斷面每個橫移鋼輪荷載為10 t進行布置，共計648 t。縱斷面即斜架車上下水滑道，主要受力點①～⑩為斷面處，采用鋼輪荷載標準為50 t（廠家訂做）。本次結構計算利用Midas/Civil建立有限元模型，共計499個節點，1 295個單元。

4.2 力學分析

根據荷載布置和總體結構設計，在有限元計算分析后，從變形可以看出，該結構斜架車主要受力集中在①～⑩橫斷面處，其他受力均很小。本次主要針對①～⑩橫斷面進行受力分析。

由于斜架車縱向底梁為1∶18坡比，決定了①～⑩橫斷面幾何尺寸可變性，相應各豎向支撐、斜撐和上下橫梁的受力大小各不相同，要保證結構滿足荷載要求，就必須分析橫斷面各結構節點和單元應力大小情況是否滿足規范要求。由圖4可知，①～⑩橫斷面處1～12節點對應的最小位移0.200 mm,最大豎向位移為1.868 mm。根據變形曲線圖可以看出，①～⑩橫梁是隨著橫斷面高度逐漸變小，各節點豎向位移逐漸增加，其變形就越大，①～⑧且橫梁隨著橫斷面高度減小，各節點豎向位移變化較小，在⑨和⑩兩個橫斷面各節點豎向位移比前面大很多，橫斷面高度僅為50 cm左右,其他斜撐發揮作用不是很大。各節點位移的大小不同，說明每個節點和單元受力各不相同，同時最大位移1.868 mm，對船體結構不會受到影響。因此，對斜架車很有必要進一步進行受力分析，主要從拉應力、壓應力和剪應力三個方面分析其應力大小是否滿足鋼材力學性能要求。

如圖5所示，①～⑩橫斷面處，1～10單元總體應力情況可以看出，1、2、5、6、8、9單元受拉應力較大，隨著橫斷面高度減小，單元拉應力變大，最大拉應力為72 MPa；7和10單元受到壓應力，隨著橫斷面高度減小，單元壓應力變大，最大壓應力為-32.672 MPa，兩個最大拉應力和最大壓應力在⑩橫斷面處。

圖4 ①～⑩#橫梁各節點位移

圖5 ①～⑩#橫梁各單元應力

橫向斜撐和豎向支撐受力也很重要，直接決定著結構整體穩定性，對于支撐進行受力分析也非常重要。如圖6所示，①～⑩橫斷面處，單元總體應力情況可以看出，大部分承受壓應力，僅 13、16、20、22四個單元受拉應力，且變化在15.3 MPa至 22.4 MPa之間，11、12、14、15、17、18、19、21、23、24、25共計11個單元受壓應力較大，其中,14、15、17、18、19、21共計6個單元壓應力變化較小，在-10.0 MPa至-22.2 MPa之間；11、12、23、24共計4個單元受到壓應力變化較大，在-27.1 MPa至-58.2 MPa之間，隨著橫斷面高度減小，單元壓應力變大，最大壓應力為-58.2 MPa，兩個最大拉應力和最大壓應力在⑩橫斷面處。

剪應力也是必須計算分析的主要指標，桁架結構通常產生彎矩的桿件比較小，通過本次有限元計算分析，如圖7所示，①～⑩橫斷面處上橫梁主要表現上橫梁單元，比較突出的為1、2、5、6單元，其中①～⑧橫梁截面面積為1.32×104mm2，⑨、⑩橫梁截面面積為2.19×104mm2，根據其所受最大剪力，得出剪應力分別為56.1 MPa和59.7 MPa。

本次選用材料為選用Q235D型鋼材[6]。該鋼材屈服極限q=235 MPa，總縱彎曲許用應力117.5 MPa，容許剪應力為85 MPa。通過對各截面的應力計算分析，最大拉壓應力均小于材料容許應力117.5 MPa，最大剪應力也小于85 MPa，從圖5、圖6、圖7可知，應力大小均滿足設計要求，達到結構穩定性要求。

圖6 ①～⑩橫梁斜撐和豎撐各單元應力

圖7 ①～⑩橫梁單元剪應力

5 結論

通過對青海湖航運（二期）工程斜架車有限元計算分析，針對各橫梁位移、拉應力、壓應力、剪應力大小進行分析，提出比較合理的結論，更好地為斜架車設計提供科學的理論依據。

（1）對斜架車受力應考慮游艇船體載荷的不均勻性，使斜架車支撐力總和應于船舶設計重量相等，且同船體重心保持平衡。

（2）斜架車有限元計算，除計算各節點和單元受力點拉壓應力、剪應力滿足要求外，還必須計算位移，防止過大位移對于船體結構影響。

（3）選用鋼材，除滿足設計強度指標以外，還必須考慮鋼材的溫度影響。

[1]杰德.楊永謙.船體強度與結構設計[M].武漢：武漢水運工程學院，1992．

[2]鄭杰.徐天芳.張茹秀．斜架車加長改造的技術分析[J].水運工程，2004（8）：8-11．

[3]羅國勝.船舶橫向下水狀態斜架車的布置與載荷校核[J].交通科技，2008（6）：110-111．

[4]張一帆.斜船架結構承載試驗與有限元分析[J].船舶技術，2005（2）：80-84．

[5]翟高進.謝云平.薛云.基于矩陣位移法的浮箱載船下水分析方法[J].船海工程2010,39(5)：65-68.

[6]GB 50017━2003，鋼結構設計規范[S].

U674.91

B

1009-7716（2016）05-0248-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.069

2016-02-01

甘肅省科技支撐計劃研究項目（1304FKA055）;甘肅省高等學校科研項目（2013B-124）

侯小強（1977-），男，甘肅正寧人，高級工程師，主要從事碼頭設計研究和教學工作。