有限元法校核浮箱固冰通道總縱強(qiáng)度

2018-01-04 00:38:54徐新中王玉利徐竟夫

中國水運(yùn) 2017年12期

關(guān)鍵詞：有限元結(jié)構(gòu)

徐新中，王玉利，徐竟夫，尤婧

（黑龍江海事局，黑龍江哈爾濱 150078）

有限元法校核浮箱固冰通道總縱強(qiáng)度

徐新中，王玉利，徐竟夫，尤婧

（黑龍江海事局，黑龍江哈爾濱 150078）

近年在黑龍江水系內(nèi)浮箱固冰通道建設(shè)發(fā)展很快，隨著中俄兩國貿(mào)易和交往發(fā)展的進(jìn)一步發(fā)展，以及貨運(yùn)公司和旅客對安全性、舒適性、可靠性、快速性的要求，浮箱固冰通道在冬季已經(jīng)代替氣墊船和汽車冰道，成為被中俄兩國共同認(rèn)可的水上主要的安全交通設(shè)施。每年冬季，黑龍江省境內(nèi)都會搭建多座浮箱固冰通道，利用率很高，然而對其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析卻鮮有研究。本文以有限元理論為依據(jù)，論述了對其總縱強(qiáng)度的分析過程及研究思路。

浮箱固冰通道；極寒天氣；新興事物；總縱強(qiáng)度校核；有限元

1 引言

黑龍江水系是黑龍江省、吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)三個(gè)省份與俄羅斯經(jīng)濟(jì)貿(mào)易運(yùn)輸?shù)闹饕緩剑c俄羅斯邊境界河長達(dá)2661公里，共25個(gè)開放口岸，由于涉及國境安全等諸多原因，兩國界江上未架設(shè)一座橋梁。黑龍江水系地處我國最北方，冬季年均結(jié)冰期長達(dá)半年，以水運(yùn)為主的運(yùn)輸渠道受到自然條件限制，直接制約著三省經(jīng)濟(jì)貿(mào)易發(fā)展。

為促進(jìn)黑龍江省與俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)的經(jīng)貿(mào)事業(yè)發(fā)展，延長口岸通關(guān)時(shí)間，加快客貨運(yùn)輸，保障冬季運(yùn)輸安全，浮箱固冰通道項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。

浮箱固冰通道系指由浮箱連接搭建的甲板能通行車輛且固置于冰中及淺灘上的特種船舶，由多個(gè)具有舷伸甲板或連接橋甲板等過水結(jié)構(gòu)的雙體浮箱連接組成的結(jié)構(gòu)。浮箱包括專用雙體駁船以及用于搭建浮箱固冰通道的現(xiàn)有駁船。與我國現(xiàn)有的其他浮橋相比，黑龍江水系的浮箱固冰通道極為特殊：一是它搭建于流凌期，使用于冰封期，不僅承受車輛通過時(shí)的壓力，還受到冰膨脹的擠壓力甚至是流凌期冰排的沖擊力，受力狀態(tài)與常規(guī)浮橋完全不同。二是其用途多用于對俄羅斯的客貨運(yùn)輸，出于國防安全考慮，搭建時(shí)需由兩國工程師分別在兩國河岸進(jìn)行搭建，界河中間接攏，因此對搭建精度要求極高，對船體變形控制十分嚴(yán)格。三是國內(nèi)尚無相關(guān)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算校核先例，無論是力的加載方式還是校核節(jié)點(diǎn)的選擇都是從零開始的探索。

2 浮箱固冰通道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算過程

由于并無具體的規(guī)范可依據(jù)，浮箱結(jié)構(gòu)和散貨船類似，直接計(jì)算校核采用了MCS.Patran軟件并參考中國船級社《散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南》進(jìn)行。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核選用了佳木斯地區(qū)的現(xiàn)有浮箱固冰通道（以下簡稱“浮箱”），以實(shí)例建立計(jì)算模型進(jìn)行研究。

2.1 100噸級浮箱主尺度及性能

總長22米，設(shè)計(jì)水線長21.8米，單節(jié)橋面長24.8米，片體寬6米，車道寬9米，片體中心距17.2米，型深1.6米，設(shè)計(jì)吃水0.9米，滿載排水量210噸。

2.2 計(jì)算載荷分析

2.2.1 車輛載荷

經(jīng)過實(shí)地測量，研究取得了輪印尺寸資料：0.2×0.3m。浮箱上通過的車輛一般以6軸重型掛車為主，查《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，其中僅給出了5軸車重型掛車的數(shù)據(jù)，限載550KN，其輪印間距及前后輪的重量承載比例如下圖所示：

圖1 車輪分布情況

根據(jù)實(shí)際使用情況，往來過貨的車輛車重一般在40噸左右，所以模擬試驗(yàn)所選用的車輛為40噸6軸卡車，后輪和中輪間距經(jīng)測量為7米，但把后輪改為3軸，進(jìn)行重量加載。根據(jù)下式進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

式中：P總=40t；C為位置比例系數(shù)；A為輪印面積。

表1 實(shí)際載荷表

車輛通過浮箱時(shí)，以車輪與甲板接觸的面積來傳遞車重力，浮箱的甲板下骨材是間隔分布的，建模時(shí)將這一重量簡化為在輪印范圍內(nèi)是均勻分布的，并做近似處理，再利用Patran軟件進(jìn)行建模。加載效果如下：

圖2 中、后輪壓力

圖3 前輪壓力

2.2.2 冰載荷

由于浮箱是搭建于流冰期，使用于冰封期，因此本次對浮箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析不同于以往的以水做載體展開的計(jì)算。

一方面考慮到浮箱在搭建時(shí)會受到流冰沖擊，另一方面在浮箱投入使用后與固態(tài)河冰仍然受溫度的影響而會發(fā)生擠壓、剪切。也就是要考慮流冰沖擊力及冰堆靜壓力。

2.2.2.1 流冰壓力

式中：δw——分別為冰的抗壓和抗彎強(qiáng)度極限，MPa；——浮箱型寬，m；——為設(shè)計(jì)冰厚度，m；β——為橋墩破冰棱對水平線的傾角，°，當(dāng)β＞82°時(shí)只考慮冰的擠壓力；——為地區(qū)系數(shù)。

表2 黑龍江地區(qū)冰況界限劃分

2.2.2.2 靜冰壓力

根據(jù)圖5，按最大冰壓與溫度上升率的關(guān)系確定冰的膨脹壓力。

取最大極限情況：取溫度上升率為4℃/h；初始溫度為-23.4℃。最大靜冰壓力按圖查得：0.16MPa。

2.2.2.3 結(jié)冰初期流冰沖擊力

圖4 以單元面力施加車輪載荷

圖5 最大冰壓和達(dá)到最大冰壓力——溫度上升率關(guān)系曲錢

據(jù)統(tǒng)計(jì)，黑龍江省轄區(qū)內(nèi)在溫度持續(xù)下降，河水由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化的流冰期，流冰冰塊厚度約為20cm，大小不等，大者長度能達(dá)到8米，小的約1米，呈不規(guī)則形狀。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ021-85）流冰沖擊力的計(jì)算公式

通過上面信息可計(jì)算得到浮冰沖擊力：

式中：F——沖擊力（KN）；V——冰塊運(yùn)動速度，取水流速度3.5m/s；H——冰厚度，取0.2（m）；Ω——冰塊面積，取47（m2）；C——系數(shù)，取136（S*KN/m3）；K,λ——與冰的計(jì)算抗壓強(qiáng)度極限有關(guān)的系數(shù)，本次研究中，K取4.3，相應(yīng)的λ取1000；Φ——冰塊撞擊角度，取55°；μ——隨φ角變化的系數(shù)，當(dāng)φ取55°時(shí)，μ取0.16。

2.2.3 靜水載荷

按水壓計(jì)算公式：F=ρgh

當(dāng)ρ=1t/m3，g=9.81，h=d時(shí)，有：F=9.81d KN/m2

式中：d——對應(yīng)工況下的實(shí)際吃水，m。

2.3 邊界條件確定

2.3.1 冰封期

冰封期浮箱的受力分析：車輛載荷、冰的支反力、冰的膨脹力。如下圖：

圖6 冰封期受力分析圖

此時(shí)，浮箱箱底邊界條件為鉸支，X、Y、Z方向位移受約束，在支耳處邊界條件不受限制。

2.3.2 流冰期

流冰期浮箱的受力分析：冰沖擊載荷、支耳處反力、靜水浮力。如下圖：

圖7 流冰期受力分析圖

此時(shí)浮箱箱體仍然受水浮力作用，將模型受力調(diào)整為浮力等于重力，冰載荷有向上分離的作用，因此為了平衡力系，約束甲板的Z向位移，同時(shí)用等效彈簧的力學(xué)模型來模擬，如下圖：

圖8 彈簧力學(xué)模型簡化圖

將浮力轉(zhuǎn)化為彈簧支反力，按下式計(jì)算

F=F=ρgV

其中：ρ——水密度，1000kg/m3；g——重力加速度，9.81N/kg；V——排水體積，由型線圖計(jì)算得到；K——浮箱單側(cè)的彈簧等效剛度。

根據(jù)胡克定律，F(xiàn)=Kx，可推算出ρgV=Kx

分析可知x=d（吃水），于是得K=ρgV/d

式中：S——設(shè)計(jì)水線面面積（雙體總面積）；n——單側(cè)支耳個(gè)數(shù)。

2.4 有限元計(jì)算、結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值對比

本環(huán)節(jié)選用了三種不同的力學(xué)加載方式，在有限元軟件中，建立車輛通過浮箱的力學(xué)模型，計(jì)算各個(gè)試驗(yàn)測點(diǎn)的響應(yīng)，繪制載荷變化曲線，并和試驗(yàn)值進(jìn)行比較。

方法一：以肋骨間距做網(wǎng)格縱向間距，縱骨間距做網(wǎng)格橫向間距，以面載荷的形式加載車輛載荷。

方法二：將網(wǎng)格細(xì)化到200mm左右，以面載荷的形式加載車輛載荷。

方法三：將網(wǎng)格細(xì)化到200mm左右，以節(jié)點(diǎn)力的形式加載車輛載荷。

圖9 車通過浮箱甲板有限元模型

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，將有限元計(jì)算值與試驗(yàn)測量值波動頻率較大的部分去除，繪制結(jié)果對比波動圖：

圖10 典型測點(diǎn)有限元計(jì)算和試驗(yàn)對比圖

通過對比，能夠確認(rèn)有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值基本相同，說明運(yùn)用上述三種加載方式施加載荷均正確可行。

2.5 屈服強(qiáng)度校核

2.5.1 校核部位

將浮箱分解為兩類結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核計(jì)算：

板結(jié)構(gòu)：甲板板、舷側(cè)外板、浮箱底板、舭列板、橫艙壁；

骨架結(jié)構(gòu)：甲板強(qiáng)橫梁、甲板強(qiáng)橫梁面板、甲板橫梁、甲板縱桁、甲板縱桁面板、實(shí)肋板、底肋骨、底縱桁、底縱桁面板、底縱骨、強(qiáng)肋骨、肋骨、支柱。

2.5.2 屈服因子

對于直接計(jì)算中強(qiáng)度校核所用的von Mises應(yīng)力，其值σvm按下式計(jì)算：

其中：λ——屈服因子，對板結(jié)構(gòu)取0.75，骨架結(jié)構(gòu)取0.8；σy——屈服極限取235N/mm2。

計(jì)算總結(jié)后得到下表：

表3 各結(jié)構(gòu)最大許用應(yīng)力表

2.6 100噸級浮箱屈服強(qiáng)度校核結(jié)果

計(jì)算所得的應(yīng)力分布云圖如圖11～圖17（顯示應(yīng)力為Von Mises應(yīng)力）：

圖17 實(shí)肋板應(yīng)力分布

3 結(jié)論

3.1 浮箱固冰通道總縱強(qiáng)度分析

通過有限元計(jì)算分析表明，現(xiàn)有的浮箱固冰通道的總縱強(qiáng)度均能夠滿足往來過貨通車需求。其中，甲板板、甲板縱桁、甲板強(qiáng)橫梁等結(jié)構(gòu)由于受車輛載荷的作用，屈服強(qiáng)度的余量較小，浮箱底板屈服強(qiáng)度余量最大。現(xiàn)有的浮箱固冰通道能夠滿足實(shí)際使用對強(qiáng)度的要求。

此次研究，還校核了浮箱各部分結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度（本文中未展開論述），兩部分合并則能夠繼續(xù)得出設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，并對類似浮箱結(jié)構(gòu)校核可以起到借鑒作用。

3.2 浮箱固冰通道前景分析

中俄界江為黑龍江，綿延2845km，其間尚未架設(shè)一座橋梁。中俄大橋在兩國不斷磋商協(xié)調(diào)了二十五個(gè)年頭后才剛剛開始建設(shè)，尚不知建設(shè)過程中要經(jīng)歷多少波折。因此可以預(yù)見未來十幾年內(nèi)，浮箱固冰通道作為中俄兩國冬季商貿(mào)往來的重要通途，仍會不斷發(fā)展。為保障冬季中俄互貿(mào)經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展，兩岸往來過貨商旅出行安全，配合國家“一帶一路”建設(shè)、黑龍江省經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)供給側(cè)改革，對浮箱固冰通道的研究也需進(jìn)一步細(xì)致化、明確化。對固置于冰中的浮箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核在國內(nèi)尚屬首例，以上計(jì)算思路及計(jì)算方法對類似結(jié)構(gòu)具有較大的參考價(jià)值。