有限元法校核浮箱固冰通道總縱強(qiáng)度

2018-01-04 00:38:54徐新中王玉利徐竟夫

中國(guó)水運(yùn) 2017年12期

關(guān)鍵詞：浮箱校核甲板

徐新中，王玉利，徐竟夫，尤婧

（黑龍江海事局，黑龍江哈爾濱 150078）

有限元法校核浮箱固冰通道總縱強(qiáng)度

徐新中，王玉利，徐竟夫，尤婧

（黑龍江海事局，黑龍江哈爾濱 150078）

近年在黑龍江水系內(nèi)浮箱固冰通道建設(shè)發(fā)展很快，隨著中俄兩國(guó)貿(mào)易和交往發(fā)展的進(jìn)一步發(fā)展，以及貨運(yùn)公司和旅客對(duì)安全性、舒適性、可靠性、快速性的要求，浮箱固冰通道在冬季已經(jīng)代替氣墊船和汽車(chē)冰道，成為被中俄兩國(guó)共同認(rèn)可的水上主要的安全交通設(shè)施。每年冬季，黑龍江省境內(nèi)都會(huì)搭建多座浮箱固冰通道，利用率很高，然而對(duì)其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析卻鮮有研究。本文以有限元理論為依據(jù)，論述了對(duì)其總縱強(qiáng)度的分析過(guò)程及研究思路。

浮箱固冰通道；極寒天氣；新興事物；總縱強(qiáng)度校核；有限元

1 引言

黑龍江水系是黑龍江省、吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)三個(gè)省份與俄羅斯經(jīng)濟(jì)貿(mào)易運(yùn)輸?shù)闹饕緩?，與俄羅斯邊境界河長(zhǎng)達(dá)2661公里，共25個(gè)開(kāi)放口岸，由于涉及國(guó)境安全等諸多原因，兩國(guó)界江上未架設(shè)一座橋梁。黑龍江水系地處我國(guó)最北方，冬季年均結(jié)冰期長(zhǎng)達(dá)半年，以水運(yùn)為主的運(yùn)輸渠道受到自然條件限制，直接制約著三省經(jīng)濟(jì)貿(mào)易發(fā)展。

為促進(jìn)黑龍江省與俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)的經(jīng)貿(mào)事業(yè)發(fā)展，延長(zhǎng)口岸通關(guān)時(shí)間，加快客貨運(yùn)輸，保障冬季運(yùn)輸安全，浮箱固冰通道項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。

浮箱固冰通道系指由浮箱連接搭建的甲板能通行車(chē)輛且固置于冰中及淺灘上的特種船舶，由多個(gè)具有舷伸甲板或連接橋甲板等過(guò)水結(jié)構(gòu)的雙體浮箱連接組成的結(jié)構(gòu)。浮箱包括專(zhuān)用雙體駁船以及用于搭建浮箱固冰通道的現(xiàn)有駁船。與我國(guó)現(xiàn)有的其他浮橋相比，黑龍江水系的浮箱固冰通道極為特殊：一是它搭建于流凌期，使用于冰封期，不僅承受車(chē)輛通過(guò)時(shí)的壓力，還受到冰膨脹的擠壓力甚至是流凌期冰排的沖擊力，受力狀態(tài)與常規(guī)浮橋完全不同。二是其用途多用于對(duì)俄羅斯的客貨運(yùn)輸，出于國(guó)防安全考慮，搭建時(shí)需由兩國(guó)工程師分別在兩國(guó)河岸進(jìn)行搭建，界河中間接攏，因此對(duì)搭建精度要求極高，對(duì)船體變形控制十分嚴(yán)格。三是國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算校核先例，無(wú)論是力的加載方式還是校核節(jié)點(diǎn)的選擇都是從零開(kāi)始的探索。

2 浮箱固冰通道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算過(guò)程

由于并無(wú)具體的規(guī)范可依據(jù)，浮箱結(jié)構(gòu)和散貨船類(lèi)似，直接計(jì)算校核采用了MCS.Patran軟件并參考中國(guó)船級(jí)社《散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南》進(jìn)行。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核選用了佳木斯地區(qū)的現(xiàn)有浮箱固冰通道（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“浮箱”），以實(shí)例建立計(jì)算模型進(jìn)行研究。

2.1 100噸級(jí)浮箱主尺度及性能

總長(zhǎng)22米，設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)21.8米，單節(jié)橋面長(zhǎng)24.8米，片體寬6米，車(chē)道寬9米，片體中心距17.2米，型深1.6米，設(shè)計(jì)吃水0.9米，滿(mǎn)載排水量210噸。

2.2 計(jì)算載荷分析

2.2.1 車(chē)輛載荷

經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)量，研究取得了輪印尺寸資料：0.2×0.3m。浮箱上通過(guò)的車(chē)輛一般以6軸重型掛車(chē)為主，查《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，其中僅給出了5軸車(chē)重型掛車(chē)的數(shù)據(jù)，限載550KN，其輪印間距及前后輪的重量承載比例如下圖所示：

圖1 車(chē)輪分布情況

根據(jù)實(shí)際使用情況，往來(lái)過(guò)貨的車(chē)輛車(chē)重一般在40噸左右，所以模擬試驗(yàn)所選用的車(chē)輛為40噸6軸卡車(chē)，后輪和中輪間距經(jīng)測(cè)量為7米，但把后輪改為3軸，進(jìn)行重量加載。根據(jù)下式進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

式中：P總=40t；C為位置比例系數(shù)；A為輪印面積。

表1 實(shí)際載荷表

車(chē)輛通過(guò)浮箱時(shí)，以車(chē)輪與甲板接觸的面積來(lái)傳遞車(chē)重力，浮箱的甲板下骨材是間隔分布的，建模時(shí)將這一重量簡(jiǎn)化為在輪印范圍內(nèi)是均勻分布的，并做近似處理，再利用Patran軟件進(jìn)行建模。加載效果如下：

圖2 中、后輪壓力

圖3 前輪壓力

2.2.2 冰載荷

由于浮箱是搭建于流冰期，使用于冰封期，因此本次對(duì)浮箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析不同于以往的以水做載體展開(kāi)的計(jì)算。

一方面考慮到浮箱在搭建時(shí)會(huì)受到流冰沖擊，另一方面在浮箱投入使用后與固態(tài)河冰仍然受溫度的影響而會(huì)發(fā)生擠壓、剪切。也就是要考慮流冰沖擊力及冰堆靜壓力。

2.2.2.1 流冰壓力

式中：δw——分別為冰的抗壓和抗彎強(qiáng)度極限，MPa；——浮箱型寬，m；——為設(shè)計(jì)冰厚度，m；β——為橋墩破冰棱對(duì)水平線的傾角，°，當(dāng)β＞82°時(shí)只考慮冰的擠壓力；——為地區(qū)系數(shù)。

表2 黑龍江地區(qū)冰況界限劃分

2.2.2.2 靜冰壓力

根據(jù)圖5，按最大冰壓與溫度上升率的關(guān)系確定冰的膨脹壓力。

取最大極限情況：取溫度上升率為4℃/h；初始溫度為-23.4℃。最大靜冰壓力按圖查得：0.16MPa。

2.2.2.3 結(jié)冰初期流冰沖擊力

圖4 以單元面力施加車(chē)輪載荷

圖5 最大冰壓和達(dá)到最大冰壓力——溫度上升率關(guān)系曲錢(qián)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，黑龍江省轄區(qū)內(nèi)在溫度持續(xù)下降，河水由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化的流冰期，流冰冰塊厚度約為20cm，大小不等，大者長(zhǎng)度能達(dá)到8米，小的約1米，呈不規(guī)則形狀。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ021-85）流冰沖擊力的計(jì)算公式

通過(guò)上面信息可計(jì)算得到浮冰沖擊力：

式中：F——沖擊力（KN）；V——冰塊運(yùn)動(dòng)速度，取水流速度3.5m/s；H——冰厚度，取0.2（m）；Ω——冰塊面積，取47（m2）；C——系數(shù)，取136（S*KN/m3）；K,λ——與冰的計(jì)算抗壓強(qiáng)度極限有關(guān)的系數(shù)，本次研究中，K取4.3，相應(yīng)的λ取1000；Φ——冰塊撞擊角度，取55°；μ——隨φ角變化的系數(shù)，當(dāng)φ取55°時(shí)，μ取0.16。

2.2.3 靜水載荷

按水壓計(jì)算公式：F=ρgh

當(dāng)ρ=1t/m3，g=9.81，h=d時(shí)，有：F=9.81d KN/m2

式中：d——對(duì)應(yīng)工況下的實(shí)際吃水，m。

2.3 邊界條件確定

2.3.1 冰封期

冰封期浮箱的受力分析：車(chē)輛載荷、冰的支反力、冰的膨脹力。如下圖：

圖6 冰封期受力分析圖

此時(shí)，浮箱箱底邊界條件為鉸支，X、Y、Z方向位移受約束，在支耳處邊界條件不受限制。

2.3.2 流冰期

流冰期浮箱的受力分析：冰沖擊載荷、支耳處反力、靜水浮力。如下圖：

圖7 流冰期受力分析圖

此時(shí)浮箱箱體仍然受水浮力作用，將模型受力調(diào)整為浮力等于重力，冰載荷有向上分離的作用，因此為了平衡力系，約束甲板的Z向位移，同時(shí)用等效彈簧的力學(xué)模型來(lái)模擬，如下圖：

圖8 彈簧力學(xué)模型簡(jiǎn)化圖

將浮力轉(zhuǎn)化為彈簧支反力，按下式計(jì)算

F=F=ρgV

其中：ρ——水密度，1000kg/m3；g——重力加速度，9.81N/kg；V——排水體積，由型線圖計(jì)算得到；K——浮箱單側(cè)的彈簧等效剛度。

根據(jù)胡克定律，F(xiàn)=Kx，可推算出ρgV=Kx

分析可知x=d（吃水），于是得K=ρgV/d

式中：S——設(shè)計(jì)水線面面積（雙體總面積）；n——單側(cè)支耳個(gè)數(shù)。

2.4 有限元計(jì)算、結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

本環(huán)節(jié)選用了三種不同的力學(xué)加載方式，在有限元軟件中，建立車(chē)輛通過(guò)浮箱的力學(xué)模型，計(jì)算各個(gè)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)，繪制載荷變化曲線，并和試驗(yàn)值進(jìn)行比較。

方法一：以肋骨間距做網(wǎng)格縱向間距，縱骨間距做網(wǎng)格橫向間距，以面載荷的形式加載車(chē)輛載荷。

方法二：將網(wǎng)格細(xì)化到200mm左右，以面載荷的形式加載車(chē)輛載荷。

方法三：將網(wǎng)格細(xì)化到200mm左右，以節(jié)點(diǎn)力的形式加載車(chē)輛載荷。

圖9 車(chē)通過(guò)浮箱甲板有限元模型

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，將有限元計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值波動(dòng)頻率較大的部分去除，繪制結(jié)果對(duì)比波動(dòng)圖：

圖10 典型測(cè)點(diǎn)有限元計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)比，能夠確認(rèn)有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值基本相同，說(shuō)明運(yùn)用上述三種加載方式施加載荷均正確可行。

2.5 屈服強(qiáng)度校核

2.5.1 校核部位

將浮箱分解為兩類(lèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核計(jì)算：

板結(jié)構(gòu)：甲板板、舷側(cè)外板、浮箱底板、舭列板、橫艙壁；

骨架結(jié)構(gòu)：甲板強(qiáng)橫梁、甲板強(qiáng)橫梁面板、甲板橫梁、甲板縱桁、甲板縱桁面板、實(shí)肋板、底肋骨、底縱桁、底縱桁面板、底縱骨、強(qiáng)肋骨、肋骨、支柱。

2.5.2 屈服因子

對(duì)于直接計(jì)算中強(qiáng)度校核所用的von Mises應(yīng)力，其值σvm按下式計(jì)算：

其中：λ——屈服因子，對(duì)板結(jié)構(gòu)取0.75，骨架結(jié)構(gòu)取0.8；σy——屈服極限取235N/mm2。

計(jì)算總結(jié)后得到下表：

表3 各結(jié)構(gòu)最大許用應(yīng)力表

2.6 100噸級(jí)浮箱屈服強(qiáng)度校核結(jié)果

計(jì)算所得的應(yīng)力分布云圖如圖11～圖17（顯示應(yīng)力為Von Mises應(yīng)力）：

圖17 實(shí)肋板應(yīng)力分布

3 結(jié)論

3.1 浮箱固冰通道總縱強(qiáng)度分析

通過(guò)有限元計(jì)算分析表明，現(xiàn)有的浮箱固冰通道的總縱強(qiáng)度均能夠滿(mǎn)足往來(lái)過(guò)貨通車(chē)需求。其中，甲板板、甲板縱桁、甲板強(qiáng)橫梁等結(jié)構(gòu)由于受車(chē)輛載荷的作用，屈服強(qiáng)度的余量較小，浮箱底板屈服強(qiáng)度余量最大?，F(xiàn)有的浮箱固冰通道能夠滿(mǎn)足實(shí)際使用對(duì)強(qiáng)度的要求。

此次研究，還校核了浮箱各部分結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度（本文中未展開(kāi)論述），兩部分合并則能夠繼續(xù)得出設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，并對(duì)類(lèi)似浮箱結(jié)構(gòu)校核可以起到借鑒作用。

3.2 浮箱固冰通道前景分析

中俄界江為黑龍江，綿延2845km，其間尚未架設(shè)一座橋梁。中俄大橋在兩國(guó)不斷磋商協(xié)調(diào)了二十五個(gè)年頭后才剛剛開(kāi)始建設(shè)，尚不知建設(shè)過(guò)程中要經(jīng)歷多少波折。因此可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)十幾年內(nèi)，浮箱固冰通道作為中俄兩國(guó)冬季商貿(mào)往來(lái)的重要通途，仍會(huì)不斷發(fā)展。為保障冬季中俄互貿(mào)經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展，兩岸往來(lái)過(guò)貨商旅出行安全，配合國(guó)家“一帶一路”建設(shè)、黑龍江省經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)供給側(cè)改革，對(duì)浮箱固冰通道的研究也需進(jìn)一步細(xì)致化、明確化。對(duì)固置于冰中的浮箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核在國(guó)內(nèi)尚屬首例，以上計(jì)算思路及計(jì)算方法對(duì)類(lèi)似結(jié)構(gòu)具有較大的參考價(jià)值。