系船柱接觸有限元分析

印夢林　聶云亮

摘 要：基于有限元計算方法，以重慶涪陵區(qū)濱江路龍王沱某旅游碼頭改擴(kuò)建工程為依托，采用非線性理論建立三維系船柱結(jié)構(gòu)仿真模型，在設(shè)計工況下對錨桿與混凝土、系船柱底座與混凝土之間進(jìn)行接觸分析和計算。通過對接觸狀態(tài)及接觸部位的應(yīng)力分布研究，得到系船柱底座及錨桿分布規(guī)律等主要結(jié)論。

關(guān)鍵詞：系船柱 非線性有限元法 接觸分析

系船柱在碼頭建設(shè)中應(yīng)用廣泛，其作用是為船舶提供系錨點(diǎn)，承擔(dān)系纜力。其結(jié)構(gòu)可靠度對船舶?？堪踩鹬陵P(guān)重要的作用，特別是洪水期船舶的系纜力較大，如果系船柱不能安全工作，船舶在洪水的推動下將會對下游橋梁、壩體等產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。但目前關(guān)于系船柱的計算文獻(xiàn)較少，有必要對其進(jìn)行進(jìn)一步研究。本文基于ANSYS分析軟件，采用非線性接觸有限元法，建立了三維系船柱計算模型，研究系船柱應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)以及錨桿與混凝土、系船柱底座與混凝土之間的接觸應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。

1、模型建立

根據(jù)以上尺寸，利用ansys workbench DM模塊建立系船柱三維實體模型圖2及有限元網(wǎng)格圖3。

其中，有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為56849，單元數(shù)256402。

2、邊界條件及接觸設(shè)置

本模型所受的荷載主要來自船舶的系纜力，按設(shè)計計算出的系纜力直接施加到有限元模型上，即為沿X方向1000KN。邊界條件為樁底施加固端約束；樁身埋入土中，對其施加沿徑向、軸向和切向的固定約束。接觸設(shè)置：在底座與混凝土、錨桿與混凝土之間采用接觸摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.3，在錨底與混凝土之間采用接觸綁定模型。

3、計算結(jié)果及分析

3.1主應(yīng)力成果及分析

由第一主應(yīng)力云圖可知：在系船柱X正向產(chǎn)生壓應(yīng)力，應(yīng)力最大值為17.07MPa；X負(fù)向產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值為50MPa，局部區(qū)域拉應(yīng)力值較大，最大接近71.14MPa，最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在系船柱X負(fù)向，約為71.14MPa。這與材料力學(xué)分應(yīng)力分布基本相同。

3.2等效應(yīng)力成果及分析

在等效應(yīng)力圖中，可以看到最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在系船柱X正向其值為65.46MPa，表明X正向更容易出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，但本算例中的鋼材的屈服應(yīng)力遠(yuǎn)大于65.46MPa，固不會產(chǎn)生屈服。

3.3接觸分析成果

a.接觸主應(yīng)力分析

由圖6可以看出，在系船柱底板與混凝土樁接觸過程中，系船柱沿X正向應(yīng)力逐漸增大，最大值壓應(yīng)力出現(xiàn)在其邊緣部分，大小為1.63MPa。錨桿與混凝土接觸規(guī)律為：沿X正向，錨桿受力逐漸減小，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在X負(fù)向，大小約為66MPa。產(chǎn)生這種規(guī)律的原因是當(dāng)系船柱受到沿X正向的系纜力時產(chǎn)生X正向的應(yīng)變，由于底端被錨桿和混凝土固定，系船柱將產(chǎn)生順時的彎矩，在X負(fù)向，抗彎彎矩主要由錨桿提供，固X負(fù)向錨桿受拉。而在X正向，抗彎彎矩主要由混凝土提供，固錨桿應(yīng)力幾乎為零。

b.接觸等效應(yīng)力分析

由圖7可以看出，屈服應(yīng)力最大產(chǎn)生在X負(fù)向的錨桿上，大小約為70.42MPa。說明錨桿比系船柱更容易產(chǎn)生屈服。

結(jié)論

提供了有限元法計算系船柱的方法。得到了系船柱錨桿及系船柱底座的應(yīng)力分布規(guī)律：系船柱底座沿X軸應(yīng)力逐漸增大。錨桿沿X正向，應(yīng)力逐漸減小，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在X負(fù)向。比起系船柱來，系船錨桿更容易屈服，是系船柱設(shè)計的一個控制點(diǎn)。

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（作者單位：長江萬州航道管理處）