船舶行車梁強度校核與分析

蔣 萍

（舟山中遠海運重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

行車梁在船舶設備轉運中承擔著重要作用，其強度對保障船舶安全性非常重要。本文基于ANSYS Workbench對154 000載重噸穿梭油輪的行車梁進行強度分析，校核設計方案的安全性，以期為船舶行車梁的設計和校核提供一定參考。

1 校核方法

在本例中，行車梁設計為超靜定梁，傳統手工強度計算方法不僅復雜繁瑣，還無法同時計算結構對變載荷及動態載荷的響應。ANSYS Workbench軟件作為一款成熟的有限元分析軟件，操作簡便，計算結果精確，計算效率高。因此，本文采用ANSYS Workbench進行行車梁強度分析，建立相應有限元模型，并探討邊界加載和接觸處理的方法。

通過ANSYS Workbench的有限元瞬態動力學模塊可計算結構對動態載荷的響應，仿真計算不僅可考慮大屈曲變形、接觸和材料非線性，還可分析載荷和接觸突變狀態。瞬態動力學方程和動力學基本方程是一致的，均為2階非齊次微分方程，求解方法包括模態疊加法和直接積分法。使用有限元瞬態動力學模塊對行車吊梁模型進行強度分析，驗證工字鋼規格選取的合理性，對設計工作和安全性能的評定起到良好的支撐作用。

2 有限元分析

行車梁示意圖見圖1，其吊鉤工作行程約9.1 m，配套2個安全工作載荷為10 t的手拉行車，行車梁選用I56b型工字鋼，行車梁上部通過肘板與船體結構焊接，行車梁下端面焊接齒條供行車走動，行車輪直徑為200 mm，兩輪間距340 mm。

圖1 行車梁示意圖（單位：mm）

2.1 有限元模型簡化

行車梁的截面圖見圖2。行車梁在不同位置設置若干支撐點，并通過十字型肘板與船體結構焊接在一起。肘板采用普通鋼板，厚度為20 mm。工字鋼上、下面板的等效厚度均為21 mm，中間腹板厚度為15 mm。在對行車梁建模時，采用如下簡化方案：將行車簡化為輪轂，忽略工字鋼的圓角特征及其余部件，使用等效尺寸建模。

圖2 行車梁截面圖（單位：mm）

1）方案一：采用三維實體單元進行分析，網格為四面體網格，尺寸設為20 mm，采用自動劃分網格方法進行網格劃分，網格數量為9萬個，節點數量為17.9萬個，網格平均質量為0.73。

2）方案二：使用殼單元模擬工字梁，在Design Modeler中通過抽中面的方式得到需要的殼體模型。輪轂直徑為200 mm，主要受到垂向力作用；工字梁的面板厚度為21 mm，同時受到彎矩和垂向力的作用。因此，推測工字梁部分變形較大。為保證移動載荷主要作用在工字梁上，通過1 mm厚的薄面體對輪轂進行模擬。網格為六面體網格，尺寸設為20 mm，網格數量為14 971個，節點數量為15 404個，網格平均質量為0.94。

對比方案一和方案二可知，方案二網格數量較少，但網格質量要高很多，且方案二的計算時間短，計算資源消耗少。因此，本文選擇方案二進行建模分析。行車梁網格劃分情況見圖3。

圖3 行車梁網格劃分情況

2.2 瞬態結果分析

使用共節點的方式連接工字鋼和肘板殼單元，將行車簡化為薄面體，將安全工作載荷分布于每個薄面體上，薄面體和梁面板之間采用摩擦接觸，由于該摩擦為滾動摩擦，故摩擦系數設為0.1。將初始時間步長、最小時間步長和最大時間步長分別設置為0.01 s、0.01 s和0.1 s。

行車梁強度分析主要設置以下3種工況：

1）工況1。一輛行車靜止于梁的一端，另一輛行車從梁的另一端移動。

2）工況2。兩行車分別從梁的兩端同時向中間移動。

3）工況3。兩行車均從梁的一端移動至另一端。

工況1計算結果、應力云圖和應變云圖分別見表1、圖4和圖5。最大等效應力為20.8 MPa，安全系數大于 10，各時間步支座反力的差異控制在1.22%之內，可認為反力不隨時間變化。由應力值和變形量可知，方案1中行車梁是安全的。

表1 工況1計算結果（瞬態）

圖4 工況1應力云圖

圖5 工況1應變云圖

工況2計算結果見表2，最大等效應力為7.54 MPa，各時間步支座反力的差異控制在1.4%之內。

表2 工況2計算結果（瞬態）

工況3計算結果、應力云圖和應變云圖分別見表3、圖6和圖7。最大等效應力為24.3 MPa，高出工況1 3.5 MPa，這是由于受到慣性力所致。各時間步支座反力的差異控制在1.15%之內。工況3的應力、應變值呈“大→小→大”變化趨勢，當行車在梁中間時應力和應變達到最小值。

表3 工況3計算結果（瞬態）

圖6 工況3應力云圖

圖7 工況3應變云圖

2.3 靜態結果分析

使用靜態模塊計算應力和應變情況，共設計 2種工況：

1）工況4。2輛行車分別布置在梁的兩端。

2）工況5。2輛行車同時布置在梁的同一端。

2種工況的計算結果、應力云圖和應變云圖分別見表4、圖8和圖9。工況5的最大等效應力高于工況 4。應力最大值出現于工字梁中間腹板和地板交界處，安全系數為2.1，滿足強度要求。

表4 計算結果（靜態）

圖8 應力云圖（靜態）

圖9 應變云圖（靜態）

續圖9 應變云圖（靜態）

3 結論

行車梁的強度對保障船舶的安全性非常重要。本文對154 000載重噸穿梭油輪的行車梁進行強度分析，先通過瞬態分析得出最大應力出現時行車所在位置，再通過靜態分析結構強度，可節省計算資源，確保強度校核的準確性，保證了行車梁的安全性。