不同斜坡板開孔方案對結構強度的影響研究

周衛鵬,徐海濤,丁仕風,王慶豐,徐 驍

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院, 鎮江 212100)

在海上進行車輛過駁作業的滾裝船,一般在艙室內設置水平高度不同兩個車輛甲板.較低的車輛甲板僅提供車輛通行,較高的車輛甲板用作車輛艙平臺.車輛甲板之間設置斜坡板相連并起到擋浪作用,為避免海水對斜坡板帶來強烈沖擊和阻斷波浪爬升,需在斜坡板上開設消波孔,但消波孔的開設也影響了車輛的通行,降低了斜坡板的強度,因此在保證消波性能前提下探尋最佳開孔方案具有重要意義.消波孔的開設主要考慮兩個問題,一是開孔的消波機理,二是開孔后的斜坡板的結構強度.文獻[1]通過數值仿真技術對開孔式防波堤進行研究,分析開孔式防波堤的消波機理.文獻[2]提出了一種新型的變孔徑傾斜孔板式消波裝置,并對該裝置的消波性能進行了系統研究.文獻[3]對雙層水平板型防波堤通過物理模型試驗和數值模擬,研究了該型式防波堤與波浪的相互作用.文獻[4-5]通過物理模型試驗與數值模擬,研究斜坡式上部結構對開孔沉箱消浪效果的影響.文獻[6]提出了一個半解析解來評估新組合沉箱在正交波攻擊下的吸波性能. 文獻[7]研究了波浪特性和波浪結構系統的配置對水下平板水動力性能的影響,發現淹沒水平板的水動力性能變化規律.文獻[8]提出了一種基于車輛誘導響應相關性的橋梁損傷識別方法,并驗證了該方法對橋梁單處損傷和多處損傷的有效性. 文獻[9-10]提出了一種移動荷載作用下箱梁損傷識別的新方法,并驗證了該方法的有效性.同年提出了一種基于應變影響線和載荷橫向分布的運動載荷識別新方法,進行了一系列數值模擬和實驗驗證了該方法.文獻[11]采用ABAQUS模擬開孔板連接件推出試驗,給出了開孔板連接件的極限抗剪承載力與鋼筋屈服強度、直徑和長度的關系表達式.文獻[12]利用非線性有限元方法,對兩種開孔形式的船體板極限強度進行了計算,得出了對開孔船體板極限承載能力最有利的補強方式.之前的學者主要研究點放在結構的消波機理和消波性能,而對結構本身的強度研究較少.多數強度校核也是簡單地用 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,最終得到的應力[13].這樣的方法已經很難達到結構的設計要求.在此之后針對斜坡板強度的試驗研究大多也是基于上述思想開展[14].文中以某滾裝船擋浪斜坡板為對象,對通行車輛通過斜坡板的過程進行動態模擬.在此基礎上,根據斜坡板的結構特點和載荷特性提出4種消波孔開孔方案.并基于車輛通行過程的動態模擬進行強度對比,根據結果中應力變形變化的動態特征顯示,過大的開孔雖然能夠保證消波性能,但對強度的降低也十分明顯,過小的開孔則會使開孔分布區域較廣,且施工麻煩.合理的開孔大小和分布不僅能夠保證消波性能,而且可以方便結構傳遞剪切、彎曲、拉伸、壓縮等載荷,從而保證結構強度.

1 斜坡板結構特點分析

1.1 斜坡板結構特點

斜坡板的作用是連接高度不同的車輛甲板,如圖1.斜坡板四周都與船體結構相連,且底部有數列艙壁進行支撐.斜坡板的下半部分為消波區域,且設一定面積的消波孔,如圖2.消波孔的輪廓一般采用圓形或者橢圓形來避免應力集中;開孔位置設置在斜坡板橫縱主次要構件之間消波孔的開設在一定程度上降低了斜坡板本身的強度.

圖1 斜坡板示意圖

圖2 消波孔示意圖

1.2 斜坡板載荷特點及開孔設計要點分析

斜坡板承受的載荷為波浪的沖擊以及通行車輛載荷兩部分.波浪沖擊只會在限定海況環境下海上作業時才會產生,所以影響斜坡板最主要的因素是通行車輛載荷.除了汽車重量造成的影響外,還要考慮的是車輛載荷是循環載荷,伴隨著摩擦力和沖擊力.且汽車運行時極有可能會將輪印直接施加到消波孔位置,從而產生更加集中的作用力,帶來更高的危險性.

為保證消波孔的消波性能,需根據斜坡板消波區域面積大小保證一定的總開孔面積,一般為15%～20%;開孔的形狀要保持圓形或者橢圓形等較為光順的邊界輪廓,避免應力集中;開孔的布置應盡可能使橫縱主次要結構的不連續性減至最小,且需留有滿足車輛安全通行的路徑.

2 不同開孔方案動態模擬

2.1 斜坡板開孔方案

設計的4種開孔方案以某型滾裝船斜坡板為背景,斜坡板總長為14.4 m、寬度為9.6 m,縱骨間距為0.6 m,橫向結構間距為1.2 m,開孔處橫向結構間距為2.4 m,消波孔開孔總面積為13.824 m2.開孔方案根據斜坡板結構特點并遵循開孔設計要點進行設計.4種設計方案如圖3,具體為:

圖3 斜坡板開孔設計方案

(1) 方案1出于施工簡便,在同樣的開孔面積條件下,盡可能開大孔,采用縱骨間距中單列的長方形大開孔方式,開孔邊緣采用圓角以避免應力集中.

(2) 方案2考慮到車輪較窄的車輛在通行過程可能中發生車輪滑入消波孔中的情況,所以將縱骨間的開孔分為兩列,減小開孔寬度,以避免車輛發生意外.

(3) 方案3與方案2考慮的習題一致,故采用橫向開孔以此來進行強度對比分析.

(4) 方案4考慮開孔面積過大時,一方面導致應力集中化,另一方面導致車輛易發生危險,所以在保證同樣開孔面積的前提下,在預留的通車路徑上開設不影響車輛通行的圓形小孔,以分擔總開孔面積,提高大開孔處的強度和安全性.

2.2 斜坡板有限元模型

研究僅考慮消波孔不同開孔方式對跳板強度的影響,只需在ABAQUS實體模型中模擬4種方案下開有消波孔的斜坡板和行駛車輛即可.對于斜坡板本身,需建立斜坡板主體結構以及背面的橫縱加強結構,斜坡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:彈性模量E=2.06×1011GPa,泊松比為0.3,剪切模量為0.792×1011GPa,屈服強度為355 MPa;對于消波孔,需嚴格按照不同方案將消波孔的形狀、位置、面積開設.對于行駛的車輛,由于本研究只分析車輛質量的影響,只需模擬施加了質量與速度的橡膠滾輪滾動的過程,文中采用車輛重量為20 t,車輪直徑設為80 cm,ABAQUS仿真模型如圖4.

圖4 斜坡板動力學仿真模型

為合理地對ABAQUS中的模型進行約束,考慮斜坡板四周與船體結構相連,所以模型四周采用全固定約束,斜坡板底部為艙壁支撐的位置采取z向位移約束,模型邊界約束見表1,U1、U2、U3分別為x,y,z方向位移約束,UR1、UR2、UR3分別為繞x,y,z方向的旋轉約束.

表1 邊界約束信息

2.3 動態模擬相互作用分析

為更詳細地分析不同開孔方案下結構強度的差異,模型中分別模擬一輛車通行和四輛車并行的過程,通行路徑上本研究考慮單車輛在安全通行路徑以及直接行駛在開孔位置兩種情況來分析斜坡板受力情況.由于斜坡板開孔區域距離較短,為便于詳細地讀取結果,將車輛通行速度降低為5 km/h,為車輪施加旋轉和位移速度約束,如表2.V1、V2、V3分別為x,y,z方向的速度,VR1、VR2、VR3分別為車輪繞x,y,z旋轉的角速度.

車輪在斜坡板開孔區域通行過程大致為5.2 s,在模型中將分析步設置為非線性動態顯性,為車輪添加20 t重量并將車輪設置為超彈性,將車輪初始位置設置在未開孔上半區域,模型車輛下坡過程,使其通行至斜坡板端部大致為6 s.車輪和斜坡板之間采用接觸模型來定義,關于施加接觸力的相關定義,需要在軟件中設置相關的參數值:

(1) 力的非線性指數,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,文中取默認值 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,所以對文中主要研究的垂向力影響較小,因此與摩擦力相關數值設置采取系統默認值即可,即靜摩擦因數為0.3,動摩擦因數為0.1.

3 分析結果

3.1 斜坡板不同區域應力對比

首先選取圖5中方案1斜坡板下半區域短開孔處安全路徑A點與上半區域同樣結構類型B點進行應力對比,如圖6.

圖5 A、B點布置

圖6 A、B點應力比較

如圖6,無論是A點還是B點,只有當車輪經過時應力值才會突然上升,表明斜坡板不同于普通的汽車跳板,底部橫縱主次要構件較多且較強,因此,車輪在斜坡板上行駛時并不會出現大面積高應力現象.從A點和B點兩處的應力來看,A點的應力最大值達到41 MPa,而B點應力最大值僅有34 MPa,由此可見下半區域的開孔降低了將近20%的整體強度.

3.2 斜坡板安全路徑應力與變形對比

斜坡板強度最低的橫向位置在長開孔處,因為此處背部橫向結構的跨距為正常區域的兩倍,因此選取長開孔處安全路徑的一點,如圖7,對不同數量的車輛在安全行駛路徑進行動態模擬,針對此位置進行4種不同開孔方案下的單輛車和多輛車行駛在安全路徑的應力和變形對比.

圖7 偵測點布置

車輛動態模擬的歷時應力曲線對比,如圖8,變形曲線如圖9.

圖8 安全路徑行駛應力歷時曲線

圖9 安全路徑行駛變形歷時曲線

如圖8,在模擬單輛車通行過程中,車輛在經過4.2 s后到達偵測位置,并在4.5 s時達到應力峰值.方案1是應力最小的,因為當車輛按照安全通行路徑行駛時,方案一中的車輛距離開孔位置最遠,所以受影響最小.而方案4的應力最大,因為圓形小孔的開設降低了安全通行路徑的結構強度.而在模擬多輛車當中可以看到,斜坡板應力水平只提升了15%左右,由于斜坡板較寬,且主次要支撐構件較多,多輛車并行相比單輛車通行僅僅是應力分布區域變大,并沒有對某一局部區域造成較大的影響.但反觀4種方案的比較,在多輛車模擬中,方案2成了應力最大的開孔方式,由此可見增加開孔的列數,進一步降低了斜坡板載荷的橫向傳遞,導致應力更加集中化.圖9中的單車通行中的變形情況基本與應力一致.

3.3 斜坡板開孔路徑應力與變形對比

車輛調運過程中,汽車不一定會嚴格按照安全路徑行駛,有時車輪會直接行駛到開孔路徑,造成有限輪印,從而產生更高的應力水平,如圖10.

圖10 安全路徑行駛變形歷時曲線

因此,對4種不同開孔方案在長開孔路徑上最薄弱的位置進行應力和變形對比,以分析4種方案的優缺點,應力和變形歷時曲線如圖11.

圖11 開孔路徑行駛應力及變形歷時曲線

如圖11,斜坡板的應力水平相比圖8安全路徑的應力達到其2～3倍的數值.如此可見,車輛在開孔處行駛時,有限的輪印面積導致輪印載荷更為集中,且開孔處強度較低,應力的明顯增大.在車輛模擬行駛中,方案4的應力值最小最穩定,這也體現了方案4安全路徑分擔開孔面積的設計初衷.而方案2成為應力最高的設計,應力最大點出現在縱骨間距中兩列開孔的中間處,此位置板材呈細長條狀,且背部無構件支撐,當車輛直接將輪印施加在此位置,會產生較大的應力,在多車模擬中達到了300 MPa以上,已是危險狀態.反觀方案3的應力水平,在駛入開孔區域后,應力雖然很高但高應力變化較小,最大值達到150 MPa左右.因為橫向的開孔相對密集,形成數量較多的橫向細長型板材,且車輪與斜坡板接觸的輪印長度本身就小,當輪印行駛在這些細長的橫向細板結構上時,前后沒有結構傳遞受到的作用力,因此會產生較大的局部壓強.方案1應力情況無論是從單車還是多車,在4種方案都比較低,因其開孔方式沒有造成方案2、3這種條狀無支撐板結構,應力的增大主要是由有限輪印何開孔四周強度相對較弱所造成.

在變形對比中,幾種方案變形情況相差較大,方案1、4的變形情況是最小的,變形最大也只有不到10 mm,且曲線走勢也大致相同.方案4比方案1相對變形小一些,因為方案1、4的開孔形狀是一樣,但方案4的開孔寬度略小;方案2的變形極值達到了30 mm多,考慮車輪行駛至開孔列之間無支撐的細長板材時,已將細列板壓至劇烈變形;而方案3的變形情況也大致和應力曲線相似,密集的細長板導致變形較大且位置較多.

4 結論

(1) 通過應力對比,發現車輛行駛在設有消波孔的下半區域的安全路徑時比上半區域應力均值提高20%左右,說明消波孔的開設對強度的降低比較明顯;而車輛直接行駛在開孔路徑產生有限輪印的情況下,應力值達到安全路徑的2～3倍,相對比較危險,因此合理的開孔方式有助于提高斜坡板的結構強度和車輛通行的安全性.

(2) 通過對比4種不同方案,發現車輛行駛在安全路徑時,4種方案安全性相差無幾.但車輛行駛在開孔路徑時,方案1、4相比方案3和安全性提高了30%～40%,而方案2設計的危險性達到其他方案的2倍,易造成破壞,實際設計中應避免出現方案2類似的無主次要構件支撐的細長板.

(3) 從不同路徑的強度分析所示,應力變形最高位置都是在開孔的邊緣處,隨著輪印接觸面積減小而增大,最高應力變形值可達到安全路徑的400%.且輪式車的輪胎與斜坡板接觸面積小,前后長度短.需要保證車輛行駛在開孔路徑時的有效輪印面積,應避免方案3的橫向開孔.綜上所述,最佳強度設計為方案4.