不同加強結構對跳板結構連接處強度影響研究

吳承恩,徐海濤,蔡 靈

(1.南通中遠海運船務工程有限公司,江蘇 南通 226006;2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院,江蘇 鎮江 212000)

0 引言

近年來,汽車行業的快速發展使得大型滾裝船越來越受歡迎。用作汽車跳板的滾裝船艉門展開作業時,主要依靠跳板與船體的連接結構來支撐和傳遞跳板所承受的車輛載荷和其他外力因素。因此,對艉跳板連接結構進行強度校核和對連接加強結構進行設計,是艉跳板系統設計中關鍵的環節,直接關系到艉跳板的安全性[1]。

國內外學者對跳板系統設計及鋼結構連接問題已經做出一定的研究。IMAMOVIC等[2]根據靜力學和動力學的連接鋼結構極限狀態計算的試驗,說明了正確預測整體鋼框架結構響應的重要性。PENG等[3]設計了一種機械鉸鏈梁柱連接,驗證了預測連接行為的理論方程。HOSSEINI等[4]提出了3種鋼結構連接方式,并進行數值分析與試驗分析證實其實用性。LYU等[5]對高強度鋼連接承載性能進行了數值研究,提出了考慮劈裂破壞的極限承載力計算公式。邵學祥等[6]、馮興璽等[7]對跳板結構進行了優化設計,既增強了跳板強度又降低了重量。韓小溪等[8]對跳板進行試驗和仿真聯合研究,為渡船跳板安全性分析提供了可靠的方法。徐靜偉[9]圍繞鋼結構梁柱節點探討了節點連接設計優化的對策。在對跳板連接結構進行強度校核時通常是簡單地用1.1倍動載荷系數乘以車輛軸載荷轉化為靜載荷,然后采用有限元計算或者是估算法,最終得到連接結構的應力[10]。但這樣的方法已經很難達到滾裝船艉部的設計要求。

對此,本文提出4 種適合艉跳板與船體的連接加強結構方案,并采用非線性有限元法對車輛通過艉跳板的過程進行動力學仿真,以便通過結構連接熱點的應力和變形情況選出具有可變性強、強度高、剛度可靠的最優方案。

1 跳板連接結構特點分析

1.1 跳板連接結構特點

跳板展開時,與之相連的船體結構(如:鉸鏈眼板、車輛甲板縱桁、艉封板等)成為跳板展開工作時保證艉部強度的主要構件。

眼板一般設置在低于車輛甲板150 mm位置處,方便艉跳板的開合和鉸鏈板的鋪設。保證艉部車輛甲板縱向強度的構件主要為車輛甲板縱桁。眼板和車輛甲板縱桁一般設計在同一橫向位置,可相互對應來保證結構強度。但眼板和縱桁并非連續構件,而是焊接在滾裝船的艉封板上,因此艉跳板連接結構處一直是研究熱點。

1.2 跳板連接結構載荷特點

跳板展開時,影響跳板最主要的因素是通行車輛載荷。除了考慮車輛自重,還要考慮車輛載荷是循環載荷,伴隨著摩擦力的沖擊力,且大型滾裝船艉跳板各鉸鏈組間距都比較大,超過1 m甚至是2 m多,所以在船體結構上產生的應力相對集中。另外,實際運營中跳板系統會出現腐蝕、磨損等情況,以及部分噸位較大的重型車輛產生的載荷都會給連接結構帶來危險性。

1.3 跳板連接加強結構設計要點分析

為保證車輛通行時的結構強度,設計的加強結構一般增設于焊接處,高度與眼板中心一致。設計的連接加強結構示意見圖1。隨著車輛裝載重量的逐年增加和通行車輛的多樣性,跳板結構強度已經不再能夠滿足設計要求。

圖1 跳板連接結構示意

2 跳板連接結構動態模擬分析

2.1 加強結構設計方案

為避免加強結構尺寸的增大對分析結果造成誤差,加強結構應在保證重量統一的前提下,根據連接結構特點進行設計。本文提出的4種設計方案見圖2,具體內容如下:

圖2 連接加強結構方案

(1)方案1為方便施工,采用三角形肘板,直角長邊為300 mm焊接在艉封板處,短邊為175 mm焊接在縱桁和鉸鏈眼板處,厚度為20 mm。

(2)方案2將最長邊修改為凸圓弧形三角板,分析其是否更加有效地傳遞結構之間的各種作用力,同時作為補償縮短了加強結構長直角邊長度。

(3)方案3考慮到因為鉸鏈組之間的間距過大,在艉封板處容易出現應力高度集中現象,于是延長在艉封板處的加強結構長度,將三角板長邊修改為凹圓弧形作為補償。

(4)方案4將加強結構厚度增加至30 mm,作為補償縮短了加強結構長直角邊長度。

2.2 跳板非線性有限元模型

分析所用的滾裝船艉跳板長為40 m,車道寬為6 m。在ABAQUS實體模型中設置船體、車輛跳板和碼頭。碼頭簡化為長方體體單元。車輛跳板主要考慮對其質量和重心位置有較大影響的主體結構和起約束作用的各處鉸鏈。跳板部分主體及其主次要構件采用殼單元。網格尺寸按照跳板橫縱構件尺寸進行劃分,尺寸為600 mm×600 mm,鉸鏈眼板位置使用50 mm×50 mm細化網格。由于不考慮鉸鏈軸的強度,連接鉸鏈采用剛體體單元進行描述。船體部分主要考慮艉部車輛甲板及其縱桁,網格尺寸同跳板,連接位置進行細化。船體結構、跳板及其主次要構件所用鋼板為船用高強度鋼,材料物理屬性為:彈性模量2.06×1011GPa,泊松比0.3,剪切模量0.792×1011GPa,屈服強度355 MPa;對于行駛的車輛,將模擬10 km/h下的60 t重車輛通行過程,車輪直徑為80 cm。本研究主要分析車輛質量的影響,因而只需模擬施加了質量與速度的橡膠滾輪滾動的過程。ABAQUS仿真模型見圖3。

圖3 ABAQUS車輛跳板動力學仿真模型

為了合理簡化模型,將不考慮受到海風、潮汐等不同海況因素影響的緩慢相對運動。將端部鉸鏈繞X軸和Z軸的旋轉進行約束,碼頭和船體部分采用完全約束。為模擬汽車通行,對橡膠滾輪進行速度與角速度約束,滾輪速度為2.777 78 m/s,角速度為3.617 rad/s。具體作業中汽車在跳板上通行過程大致為14.4 s,計算時間長度為15 s。

2.3 動態模擬相互作用分析

車輪和跳板車道間采用接觸模型來定義。施加接觸力的相關定義需在軟件中設置相關參數值:

(1)力的非線性指數:本分析中車輪材料為橡膠,非線性指數值可以取2～3。在動力學仿真中,非線性指數取值一般大于2.1會使求解更加穩定合理。本研究取默認值2.2。

(2)摩擦系數:由于車輛通行過程模擬中的摩擦力方向與車輛跳板板面平行,對本文主要研究的垂向力影響較小,因此與摩擦力相關數值采取系統默認值即可,即:靜摩擦因數0.3,動摩擦因數0.1。

3 分析結果

為反映不同加強結構對結構連接處強度提升的情況,本文針對應力較大的4個連接熱點進行應力和變形的比較,位置見圖4。

A—肘板、眼板與艉封板連接點;B—眼板與艉封板頂部連接點;C—肘板與艉封板端部連接點;D—眼板與艉封板底部連接點。圖4 連接熱點選取位置

3.1 艉跳板結構連接處應力分析與對比

對不同加強結構下車輛行駛過程進行動態模擬,對每個測點提取了每個方案中的最大值和平均值進行對比,見圖5。由圖5可知,總體來看,A點和B點的應力最大,平均應力達到了150 MPa,最大瞬時應力達到200 MPa以上。因為A點和B點距離眼板圓心最近,在車輛載荷和跳板自重載荷作用下,承受了大部分拉力。而D點的應力水平提升現象并不是很明顯,均值最低,在幾處連接點位置中應力最小,平均應力水平為75 MPa,說明眼板的輪廓和垂向尺寸安全閾值相對較高。根據4種不同加強結構4個連接處偵測點應力歷時曲線可知:方案4結構形式應力最大的;方案2的結構設計在A點處提供的強度增加效果相對較好,但在其他連接位置加強作用不太理想。由此可見,方案1在幾種加強結構設計中提供了最佳的強度提升效果,方案3效果也比較明顯,但總體的強度提升效果不如方案1,且方案3的細長型結構設計也讓加強結構自身的應力在幾種方案中是最高的。

3.2 斜坡板變形分析與對比

對不同加強結構下車輛行駛過程進行動態模擬,變形歷時曲線對比見圖6。

由圖6可知,隨著時間的推移,所有加強結構形式下的各連接熱點應力水平均處于上升狀態,說明車輛距離鉸鏈越近,鉸鏈承受的作用力越大。在幾處連接點的變形中,B點是變形最小的。雖然此處產生的內力較大,但由于此處與車輛甲板距離較近,再加上內部縱桁的支撐,變形普遍偏小,僅有不到1 mm的變形。其他3處位置都有接近3～4 mm的變形,尤其是C點的變形值最大?？紤]此處沒有艉封板內部縱向結構的支撐,使艉封板此處的剛度相對其他3個位置而言較小。4種不同的加強結構下,眼板、縱桁、艉封板和肘板加強相連接處的A點變形差異是最小的?？紤]此處連接的結構較多,僅更換加強結構對此處的變形改善效果不明顯。由圖5(c)可知,方案1、方案2和方案4這3種加強結構形式對加強結構與艉封板連接的角隅處影響不是很大,但方案3卻提高了此處的剛度,降低了變形。方案3增加了加強結構與艉封板焊接邊的尺寸,提供了更有益的效果,但從B點和D點的變形比較來看,方案3的加強結構的剛度不如其他3種方案。

4 結論

(1)通過不同連接熱點應力對比,發現車輛通行時,產生應力最大的位置為連接鉸鏈眼板上角隅處及鉸鏈眼板、加強結構和艉封板三種結構連接處,相比眼板下角隅和加強結構角隅處應力值高近20%,驗證了加強結構增設位置普遍與鉸鏈眼板圓心等高的設計理念。

(2)通過對比4種加強結構不同方案,發現方案2和方案4相比方案1和方案3連接熱點的強度都是最低的,且方案4的最大變形值相比其他3種方案近4倍。加強結構的設計初衷為支撐其他結構的強度和剛度,可見同等質量而不同結構形式的加強結構對強度的支撐也有很大差異,因此在實際設計應選擇合理的加強結構。

(3)方案1下的連接熱點應力值基本都是最低的,強度提升效果相比其他方案都提高了10%左右。雖然該方案加強結構自身應力值相對其他方案高出50%左右,但加強結構本身為強度支撐結構,應力水平較連接結構偏低,且不易遭受破壞,因此將方案1視為最佳方案。