60 m全回轉車客渡船橋腳的有限元強度分析

張 云，譚慧娟，陳繼康

(1.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400)

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60 m全回轉車客渡船橋腳的有限元強度分析

張 云1，譚慧娟1，陳繼康2

(1.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400)

以某60 m全回轉車客渡船為研究對象，以《鋼質內河船舶建造規范》(2016)為設計依據，用有限元方法對該渡船橋腳結構進行校核。計算結果表明，橋腳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橋腳處的結構設計、優化、強度加強提供參考。

全回轉推進；車客渡船；橋腳；結構強度；有限元法

0 引言

60 m全回轉車客渡船船型為對稱、雙頭、單體、單甲板、中機型、舯橋樓式。該船艏艉兩端均配置全回轉推進設備，可靠泊碼頭，航行時船舶無需掉頭，汽車上下船舶無需倒車，提高了營運效率。甲板右舷為主橋腳，橋腳總高5.2 m,分為上下2層。左舷為付橋腳。主付橋腳外舷分別內傾100 mm，主橋腳寬1.6 m,付橋腳寬0.45 m。老一代渡船主要以直接計算求得板材的選用規格，對于整個橋腳的受力分析存在不足。本文研究的60 m全回轉車客渡船采用對上層建筑的結構模型進行有限元強度分析的方法，該方法對同類型船舶的橋腳處受力分析、結構強度加強提供校核參考。

1 傳統橋腳的設計與計算

1.1 船體說明

1.1.1 船舶主要參數

總長(型長)L

60.000 m

型寬B

15.400 m

型深D

3.500 m

設計吃水d(A/B級)

2.350 m/2.600 m

航區

A/B級

肋距

0.6 m

1.1.2 船體結構

船底中部采用橫骨架式，艏、艉船底部分采用縱骨架式，主機艙區每檔設置實肋板，其他艙每3檔設實肋板，中間設2道底肋骨。主甲板結構采用縱骨架式，距中1.6 m及距中6.1 m處，共設4道縱向桁架結構。

1.2 橋腳結構計算

按照《鋼質內河船舶建造規范》(2016)[1](以下簡稱“規范”)規定，實?。簶蚰_側板、端壁圍板厚t=5 mm (側壁下部為6 mm)。

(1)橋腳甲板橫梁的剖面模數W按規范第2.8.1.1條計算，其公式如下：

W=5cshl2

式中：c為系數，c=1；s為橫梁間距，s=0.6 m；h為甲板計算水柱高度，h=0.45 m；l為橫梁跨距，l=2 m。

經計算，甲板橫梁的剖面模數W=5.4 cm3。

實取橋腳甲板橫梁L75 mm×50 mm×6 mm，其剖面模數W=30 cm3。

(2)主橋腳圍壁強扶強材的剖面模數W1按規范第2.16.4.2條計算，其公式如下：

式中：s1為扶強材間距，s1=1.2 m；l1為扶強材跨距，l1=2.6 m。

經計算，主橋腳圍壁強扶強材的剖面模數W1=29.2 cm3。

(3)付橋腳圍壁強扶強材的剖面模數W2按規范第2.16.4.2條 計算，其公式如下：

式中：s2為扶強材間距，s2=1.2 m；l2為扶強材跨距，l2=5.2 m。

經計算，付橋腳圍壁強扶強材的剖面模數W2=116.8 cm3。

(4)主付橋腳圍壁普通扶強材的剖面模數W3按規范第2.16.4.2 條計算，其公式如下：

式中：s3為扶強材間距，s3=0.6 m；l3為扶強材跨距，l3=2.6 m。

經計算，主付橋腳圍壁普通扶強材剖面模數W3=14.6 cm3。

實取主橋腳普通扶強材L75 mm×50 mm×6 mm(雙拼)，其剖面模數W3=58.9 cm3。

實取付橋腳普通扶強材L75 mm×50 mm×6 mm，其剖面模數W3=30 cm3。

2 有限元模型

2.1 結構模型

本文在建立模型時采用平面四邊形板單元(shell)(局部過渡區域采用三角形板單元)描述船體板、上層建筑、橋腳側板及壁板、強橫梁、縱桁，船底實肋板、艙壁垂直桁等強框架的腹板，用一維梁單元(beam)描述縱骨、橫梁、強框架面板等構件，通過板梁單元組合的力學模型描述整船的結構。計算時，一般在建立整船模型時，忽略小肘板、甲板、平臺和艙壁上的小開口等[2]。有限元模型的坐標系為直角坐標系，X軸由艉部指向艏部為正，Y軸由右舷指向左舷為正，Z軸垂直向上為正。本船有限元模型坐標原點建立甲板面尾端與中縱剖面相交處。有限元模型的長度單位為m，力的單位為N。全船結構有限元模型如圖1所示。

圖1 全船結構有限元模型

2.2 邊界條件

由于船舶結構具有較為復雜的空間結構，有限元模型中的節點數、單元數量龐大，載荷計算的累積誤差難以尋求完全平衡的外載荷力系，所以施加合理的邊界條件十分重要[3]。

由于船舶結構處于“全自由”狀態，因此在進行有限元靜力分析時，采用慣性釋放，去掉支座，消除約束點的反力對變形和應力狀態的影響，并且使得斷面剪力可以施加到計算模型中。慣性釋放的運用，對于船舶結構強度的有限元直接計算具有很強的實際意義。

2.3 計算載荷

根據設計的裝載布置圖中A/B級航區航行、453 t/670 t車載和旅客狀態下的重量分布、靜水力數據、穩性計算書，考慮全船受舷外水壓力、壓載水載荷、燃油壓載及車輛載荷，車輛載荷以輪壓的形式施加。壓載水、燃油壓載根據穩性計算書中滿載工況(出港、到港)和空載到港下的壓載高度計算載荷。計算中還考慮了上層建筑結構風載的影響，模型范圍內的風載按基本風壓采用面壓力的形式施加。各種壓載以面壓力載荷的形式施加于相應的艙室結構、甲板和外板有限元單元上。

2.3.1 車輛載荷

按照規范第2.2.4.2條相關要求，本文分為6種工況，分別為：航行滿載出港；航行滿載到港；航行空載出港；碼頭載貨區域尾1/4 區域內，裝載1/4 總載貨量工況；碼頭載貨區域尾2/3 區域內，裝載2/3 總載貨量工況；碼頭載貨艙區域尾向首3/4區域內，裝載3/4總載貨量。

車輛載荷按軸重均勻分布：6軸、100 t重車(計算中取前后10 t、后軸18 t×5)；2軸、20 t重車(計算中取前后5 t、后軸15 t)；2軸、30 t重車(計算中取前后7.5 t、后軸22.5 t)；2軸、15 t卡車(計算中取前后3.75 t、后軸11.25 t)；2軸、2 t卡車(計算中取前后0.5 t、后軸1.5 t)。

2.3.2 舷外水壓力

舷外水壓力根據規范第14.3.4條中的舷外水壓力公式，計算各種工況下船舶處于平衡狀態時的設計波。建模時，將等效余弦波按壓力分布施加到模型的濕表面各單元上。波高he按下式計算。

he=αW(29 593-120.89L+0.223 2L2)×10-4

式中：αW為航區修正系數，A級航區取1.0，B級航區取0.6。

經計算，A級：he=2.314 m；B級：he=1.39 m。

2.3.3 淡水和燃油壓載

A級(與B級相同)中滿載出港、滿載到港和空載到港的重量中心表分別見表1和表2。

3 結果分析

本文全船采用普通鋼，其材料屈服強度為235 MPa,許用正應力為179 MPa，剪切應力為91 MPa。綜合結果，得知2種航區下的橋腳側板、端壁圍板的Von Mises應力最大值為169.0 MPa，最大剪切應力值為80.6 MPa；橋腳內強框架、水平桁的Von Mises應力最大值為83.8 MPa，最大剪切應力值為43.2 MPa，橋腳應力大小值均滿足規范許用值要求，最大應力值均滿足規范許用值要求。圖2～圖5為A級航區狀態下的橋腳側板、端壁圍板及強框架、水平桁的Von Mises最大應力值和最大剪切值；圖6～圖9為B級航區狀態下的橋腳側板、端壁圍板及強框架、水平桁的Von Mises最大應力值和最大剪切值。

表1 滿載出港重量重心表

表2 滿載到港和空載到港重量重心表

圖2 A級航區主橋、付橋壁板及舷墻板最大有限元相當應力

圖3 A級航區主橋、付橋壁板及舷墻板最大有限元剪切應力

圖4 A級航區主橋及付橋強框架、水平桁最大有限元相當應力

圖5 A級航區主橋及付橋強框架、水平桁最大有限元剪切應力

圖6 B級航區主橋、付橋壁板及舷墻板最大有限元相當應力

圖7 B級航區主橋、付橋壁板及舷墻板最大有限元剪切應力

圖8 B級航區主橋及付橋強框架、水平桁最大有限元相當應力

圖9 B級航區主橋及付橋強框架、水平桁最大有限元剪切應力

4 結論

通過有限元強度分析，發現60 m全回轉車客渡船主付橋腳側壁在向艏艉延伸與舷墻連接的部分應力比較集中，故對艉部Fr28-150 mm～Fr35+150 mm，艏部Fr65 -150 mm～Fr72+150 mm的區域板厚加厚為10 mm,并使該過渡區域邊緣設置角鋼，以滿足該區域的強度要求。

在滿足船舶總體設計要求的情況下，根據船舶的實際使用情況，使船舶結構的形式、構件的尺寸與連接等設計更優化。通過有限元強度分析，可以對設計船舶中規范要求的特殊部位進行校核，使船舶結構性能達到最佳狀態，從而最大限度地保證船舶的航行安全。

[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，2016.

[2] 吳恒林.內河集裝箱船彎扭強度分析[J].中國水運，2014(31)：1-3.

[3] 張少雄,楊永謙. 船體結構強度直接計算中慣性釋放的應用[J].中國艦船研究，2006(1)：58-61.

2016-10-16

張云(1983—)，女，助理工程師，從事船體結構設計工作；譚慧娟(1988—)，女，助理工程師，從事船舶結構設計工作；陳繼康(1976—)，男，工程師，從事船舶與海洋建造工作。

U661.43

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