船閘浮式系船柱受力狀態(tài)數(shù)值模擬*

劉明維，曾麗琴，齊俊麟，江 濤

(1.重慶交通大學(xué),國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074;2.重慶交通大學(xué),水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074;3.長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000)

隨著國(guó)內(nèi)外貿(mào)易不斷增長(zhǎng)，海運(yùn)與內(nèi)河航運(yùn)船舶大型化發(fā)展勢(shì)頭迅猛。盡管近年來我國(guó)港口大型深水泊位建設(shè)速度很快，但依然無法完全滿足來港大型船舶靠泊作業(yè)的需求。

2018年，三峽船閘通過量再創(chuàng)新高，達(dá)到1.42億t，葛洲壩船閘通過量達(dá)到1.49億t[1]。船閘通過量增加，對(duì)通航設(shè)施提出更高的要求。現(xiàn)大型船舶停靠主要采用船閘浮式系船柱的方式，該方式利用浮力作用使系纜設(shè)施隨水位變化而上下浮動(dòng)，以滿足船舶的安全系纜。但在使用過程中存在以下主要問題：1)系纜不規(guī)范，進(jìn)閘過快，導(dǎo)致系船柱局部受力過大而變形；2)無法實(shí)時(shí)跟蹤船舶入閘信息，進(jìn)行安全預(yù)警；3)系纜系統(tǒng)超載，使用頻率高[2-5]。

為了消除危害船舶安全過閘的隱患，須對(duì)船閘系纜設(shè)施進(jìn)行受力分析。結(jié)合葛洲壩1號(hào)船閘工程中浮式系船柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用數(shù)值仿真方法對(duì)船閘浮式系船柱上部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，對(duì)薄弱部位重點(diǎn)關(guān)注，研究船閘閘室系纜系統(tǒng)服役狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)系纜系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)判斷和預(yù)警提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

根據(jù)葛洲壩1號(hào)船閘中浮式系船柱結(jié)構(gòu)各部件的尺寸，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench建立浮式系船柱上部結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型，結(jié)果如圖1所示。

在建模過程中，將系船柱構(gòu)件考慮為一中空薄壁圓柱體，尺寸為160 mm×110 mm×1 200 mm(外徑×內(nèi)徑×高)。由于系船柱頂部蓋帽無具體尺寸，故采用厚度為25 mm的圓形蓋板代替原有蓋帽，系纜力的作用點(diǎn)位于圓柱體系船柱頂面的中心點(diǎn)位置處。此外，建模時(shí)對(duì)浮式系船柱上部結(jié)構(gòu)的縱、橫向滾輪進(jìn)行幾何概化，均將其簡(jiǎn)化為三維棱柱體，共計(jì)8個(gè)，見圖1d)。

圖1 浮式系船柱三維數(shù)值模型

1.1 模型參數(shù)及工況

浮式系船柱上部結(jié)構(gòu)各部件的材料主要包含3類。其中，平行于圖1d)XOY平面的3塊平板采用不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)材料，空心圓柱體系船柱柱身采用鑄鋼(ZG310-570)制成，其余部件均采用Q235B型鋼材。各類材料的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 浮式系船柱上部結(jié)構(gòu)各部件的材料參數(shù)

葛洲壩1號(hào)船閘設(shè)計(jì)拉力為縱向150 kN，橫向100 kN，合力值約為180 kN。為了合理分析浮式系船柱上部結(jié)構(gòu)在船舶系纜力作用下的受力狀態(tài)，在有限元計(jì)算過程中共考慮結(jié)構(gòu)所受的荷載情況如表2所示。

表2 浮式系船柱上部結(jié)構(gòu)3種不同的計(jì)算工況

1.2 離散方式及網(wǎng)格劃分

采用ANSYS Workbench中的Solid186(3D20N)實(shí)體單元對(duì)浮式系船柱上部結(jié)構(gòu)的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單個(gè)網(wǎng)格尺寸為邊長(zhǎng)20 mm的平行六面體(立方體)。對(duì)浮式系船柱上部結(jié)構(gòu)有限元模型中的8個(gè)橫、縱向滾輪所對(duì)應(yīng)棱柱體的表面處施加面約束，即：約束在該表面上各有限單元的各節(jié)點(diǎn)在6個(gè)自由度方向上的位移和轉(zhuǎn)角，不讓其發(fā)生平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 可靠性驗(yàn)證

2.1 簡(jiǎn)化模型力學(xué)計(jì)算

工況1中系纜力大小與葛洲壩1號(hào)船閘設(shè)計(jì)拉力大小較為接近，故選取工況1進(jìn)行數(shù)值模擬可靠性的驗(yàn)證。將空心圓柱體系船柱的柱身概化為等截面彈性梁模型，并將用于固定該柱體的上、下3塊不銹鋼板作為該梁模型的2個(gè)鉸支座，即：約束其在OX、OZ兩個(gè)方向的平動(dòng)位移，允許其繞OY軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，得到該系船柱構(gòu)件受力的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 工況1條件下系船柱構(gòu)件受力簡(jiǎn)化計(jì)算模型

根據(jù)圖2所示的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，可得到在工況1條件下梁的彎矩分布，如圖3a)所示。根據(jù)JTS 152—2012《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中的規(guī)定，拉彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件的應(yīng)力可采用下列關(guān)系式來進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Mx為繞強(qiáng)軸作用的最大彎矩設(shè)計(jì)值，由于簡(jiǎn)化的梁模型僅在一個(gè)主平面內(nèi)受彎，故Mx取圖3a)中不同梁截面上的彎矩值；γx為與截面模量相應(yīng)的截面塑性發(fā)展系數(shù)，取γx=1.0；Wnx為對(duì)x軸的凈截面模量，Wnx=3.126×10-4m3。

圖3 工況1條件下系船柱構(gòu)件受力簡(jiǎn)化模型計(jì)算結(jié)果

2.2 模型結(jié)果驗(yàn)證

在工況1加載條件下浮式系船柱上部結(jié)構(gòu)有限元模型的應(yīng)力云圖見圖4。

圖4 工況1條件下有限元模型的應(yīng)力云圖

從圖4可知，在空心圓柱體系船柱的柱身以及平行于XOY平面的上下3塊不銹鋼板上的應(yīng)力較其他部位處更大，尤其是在3塊不銹鋼板靠近系船柱的凸出部位處，應(yīng)力分布更為顯著。

有限元模型(144.9 MPa)與簡(jiǎn)化計(jì)算模型(139.8 MPa)在相同位置處的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果十分接近，二者的相對(duì)誤差約為3.6%。同時(shí)，根據(jù)《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，鑄鋼的許用應(yīng)力為240 MPa，數(shù)值模擬應(yīng)力值為144.9 MPa，未超出許用值，驗(yàn)證了基于有限元數(shù)值模擬方法計(jì)算結(jié)果的正確性。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力云圖分布

通過有限元數(shù)值模擬方法，可分別計(jì)算得到在工況2、3條件下，浮式系船柱上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖(圖5)。

圖5 工況2、3條件下有限元模型應(yīng)力云圖

在系船柱的上支座處所對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)(坐標(biāo)值：X=715,Y=0,Z=800)的應(yīng)力值分別為σ1=144.9 MPa、σ2=193.2 MPa、σ3=289.5 MPa，即：隨著系纜力F的增加，浮式系船柱結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力相應(yīng)增大，這與實(shí)際情況相符。

3.2 應(yīng)力變化規(guī)律

取有限元計(jì)算模型中的4個(gè)重要部件(圖6)，即平行于XOY平面的3塊平板(1、2、3號(hào)板)以及空心圓柱體系船柱(4號(hào)管)，通過提取各部件在其應(yīng)力變化敏感區(qū)域內(nèi)指定路徑上(圖6中所示虛線)的應(yīng)力值大小，進(jìn)一步分析浮式系船柱上部結(jié)構(gòu)在不同工況下各重要組成部件的應(yīng)力變化規(guī)律。

圖6 浮式系船柱模型中各重要部件分類及編號(hào)

3.2.11號(hào)板應(yīng)力變化

圖7為1號(hào)板在平行于Y、X軸方向上指定路徑的應(yīng)力分布。

從圖7a)可以看出：不同工況下，該部件的應(yīng)力分布呈現(xiàn)明顯的對(duì)稱性，且兩邊高、中間低，Y在-250～250 mm位置處，應(yīng)力最大；從圖7b)可以看出：隨著X坐標(biāo)的增加(越靠近系船柱)，應(yīng)力大小逐漸增大，且在接近系船柱柱體的區(qū)域內(nèi)(X> 550 mm的范圍)，其應(yīng)力變化呈現(xiàn)大幅增加的趨勢(shì)。

圖7 1號(hào)板上指定路徑處的應(yīng)力分布

綜上所述，在靠近系船柱位置處1號(hào)板上應(yīng)力變化較為劇烈。

3.2.22號(hào)板應(yīng)力變化

圖8為2號(hào)板在平行于Y、X軸方向上指定路徑的應(yīng)力分布。

圖8 2號(hào)板上指定路徑處的應(yīng)力分布

從圖8a)可以看出：與圖7中1號(hào)板的應(yīng)力分布規(guī)律類似，在不同工況下，2號(hào)板的應(yīng)力分布同樣呈現(xiàn)明顯的對(duì)稱性，且兩邊高、中間低，Y在-250～250 mm位置處，應(yīng)力值最大；從圖8b)可以看出：隨著X坐標(biāo)的增加(越靠近系船柱)，應(yīng)力大小呈現(xiàn)出先增加、后降低、又逐漸增加、最終急劇增加的變化規(guī)律。其中，X=370 mm的位置為1號(hào)板和2號(hào)板的重疊區(qū)域，此處應(yīng)力的變化受截面突變的影響而有所降低；X> 550 mm時(shí)十分接近系船柱的柱體區(qū)域，2號(hào)板在該位置范圍內(nèi)的應(yīng)力值呈現(xiàn)大幅增加的變化規(guī)律。

綜上可知，在靠近系船柱位置處2號(hào)板上的應(yīng)力變化同樣較為劇烈，且在1號(hào)板和2號(hào)板接觸部位處的應(yīng)力值有減弱的趨勢(shì)。

3.2.33號(hào)板應(yīng)力變化

圖9為3號(hào)板在平行于Y、X軸方向上指定路徑的應(yīng)力分布。

圖9 3號(hào)板上指定路徑處的應(yīng)力分布

從圖9a)可以看出：與圖7、8中1、2號(hào)板的應(yīng)力分布規(guī)律相反，在不同工況下，3號(hào)板的應(yīng)力分布雖然呈現(xiàn)明顯的對(duì)稱性，但卻是兩邊低、中間高，在X=0 mm的位置處，應(yīng)力最大；從圖9b)可以看出：隨著X坐標(biāo)的增加(越靠近系船柱)，應(yīng)力大小呈現(xiàn)出先增加后降低的變化規(guī)律，其應(yīng)力峰值點(diǎn)出現(xiàn)在X=550 mm的位置處。

綜上可知，在靠近系船柱位置處出現(xiàn)應(yīng)力峰值點(diǎn)。

3.2.44號(hào)管應(yīng)力變化

圖10為4號(hào)管在平行于Z軸方向上指定路徑的應(yīng)力分布。

圖10 4號(hào)管上指定路徑處的應(yīng)力分布

從圖10可知：不同工況下，4號(hào)管內(nèi)、外側(cè)的應(yīng)力大小均隨Z的增加而逐漸增加，當(dāng)Z≈750 mm時(shí)(1、2號(hào)板與4號(hào)管的連接處)應(yīng)力最大，且內(nèi)側(cè)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果較外側(cè)應(yīng)力值更大。

綜上可知，應(yīng)力峰值點(diǎn)出現(xiàn)在4號(hào)管與1、2號(hào)板的接觸區(qū)域。

4 結(jié)論

1)本文構(gòu)建的有限元模型與簡(jiǎn)化計(jì)算模型在相同位置處的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別為144.9、139.8 MPa，二者的相對(duì)誤差約為3.6%，驗(yàn)證了基于有限元數(shù)值模擬方法計(jì)算結(jié)果的正確性。

2)1～3號(hào)板上應(yīng)力變化較劇烈的部位均靠近系船柱處，1、2號(hào)板相接觸部位應(yīng)力有減弱趨勢(shì)。4號(hào)管內(nèi)、外側(cè)的應(yīng)力大小均隨Z軸的增加而逐漸增加，當(dāng)Z≈750 mm時(shí)(1、2號(hào)板與4號(hào)管的連接處)應(yīng)力最大，且內(nèi)側(cè)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果較外側(cè)應(yīng)力值更大。

3)由浮式系船柱應(yīng)力變化規(guī)律可知，系船柱的薄弱部位為1～3號(hào)板上靠近系船柱的位置。為船閘浮式系船柱受力狀態(tài)安全預(yù)警的現(xiàn)場(chǎng)傳感器的布設(shè)方案提供了理論基礎(chǔ)。