摘要：為解決車客渡船跳板在實(shí)際營運(yùn)過程中產(chǎn)生的變形問題，文章以“奇石車渡01”車客渡船跳板為例，利用Patran&Nastran有限元軟件對跳板進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，并對比規(guī)范分析變形的主要原因。通過合理改變跳板結(jié)構(gòu)尺寸，提出跳板在使用過程中的防護(hù)措施，同時(shí)為跳板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和修理改裝提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：車客渡船;跳板;變形;有限元分析

中圖分類號：U674. 192文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 047

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0180 - 02

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，汽車出行越來越普遍。車客渡船作為航行于江河、湖泊、海峽及島嶼之間的運(yùn)輸船舶，主要用于載運(yùn)旅客、貨物和車輛。跳板作為車客渡船與碼頭連接的橋梁，在設(shè)計(jì)時(shí)一般根據(jù)規(guī)范中的相關(guān)條款進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算和設(shè)計(jì)，往往偏重于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對其變形的影響考慮較少。但跳板變形嚴(yán)重必定影響車客渡船的正常使用，甚至在車輛上下跳板時(shí)存在安全隱患。本文以“奇石車渡01”車客渡船跳板為例，利用Patran&Nastran有限元軟件對跳板進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算并對比規(guī)范，分析產(chǎn)生變形的主要原因，提出跳板結(jié)構(gòu)相應(yīng)的防護(hù)措施和主要的加強(qiáng)方法。

1 實(shí)船跳板結(jié)構(gòu)和有限元模型描述

（1）該船設(shè)計(jì)時(shí)，跳板結(jié)構(gòu)按照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2009）》[1]有關(guān)條款進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算與取值。跳板結(jié)構(gòu)形式采用縱骨架式，由跳板面板、強(qiáng)橫梁、跳板縱骨及車道下強(qiáng)縱桁、邊縱桁、中縱桁等組成。該船的跳板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙與實(shí)船一致，縱向長度為8 820 rrrn，橫向?qū)挾葹? 000 mm，其結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

（2）存在的問題：實(shí)船跳板明顯呈拋物線彎曲變形，其中部彎曲變形最大。經(jīng)測量最大變形值為39 mm，其變形量已經(jīng)超出規(guī)范的極限值（29.4 mm）。

（3）根據(jù)實(shí)船跳板結(jié)構(gòu)應(yīng)用有限元軟件Patran&Nastran建立三維有限元模型（見圖1）。模型中跳板面板用shell單元建模，橫向和縱向骨材用beam單元建模，整個(gè)模型共有單元4 728個(gè)，節(jié)點(diǎn)4 446個(gè)。

2 邊界條件和載荷工況

2.1 邊界條件

按照中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2009》[1]l的規(guī)定施加邊界條件。

（1）在與船端連接的鉸鏈節(jié)點(diǎn)上施加縱向、橫向、垂向線位移約束，即Ux=Uy=Uz=0;

（2）在另一端的兩角節(jié)點(diǎn)上施加橫向、垂向線位移約束，即Uy=Uz=0。

2.2 載荷工況

假設(shè)車輛勻速緩慢通過跳板，不計(jì)慣性力[2]，車客渡船跳板主要承受跳板自身重力和通過汽車的重力。

（1）跳板自重以慣性載荷的形式加載到模型中，跳板自重載荷g=9.81 N/kg。

（2）選車輛跳板載荷以集中力的形式分別施加在車輛跳板下強(qiáng)縱桁的跨距中點(diǎn)上時(shí)為最不利工況。根據(jù)規(guī)范，車輛跳板載荷按設(shè)計(jì)車輛軸負(fù)荷的1.2信確定，所以施加力的大小為7 x1.2×9.8x1000=82 320 N（設(shè)計(jì)車輛的軸負(fù)荷為7 t）。

3 總縱強(qiáng)度計(jì)算及強(qiáng)度校核

3.1 實(shí)船總縱強(qiáng)度計(jì)算及強(qiáng)度校核

分別按照中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2009）》[1l第14章和《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（201 6）》[8]關(guān)于船舶局部強(qiáng)度計(jì)算方法以及許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)所建有限元模型對本船跳板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行校核，并進(jìn)行比較。表2～4給出了跳板各構(gòu)件的應(yīng)力最大值和撓度值，圖2為改變結(jié)構(gòu)前跳板應(yīng)力、應(yīng)變云圖。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，跳板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剪切應(yīng)力都滿足規(guī)范的要求，而且有一定的富余度，但是跳板撓度計(jì)算值大于規(guī)范的極限值，不滿足規(guī)范的要求。

3.2 改變跳板結(jié)構(gòu)尺寸后強(qiáng)度計(jì)算和校核

為了使跳板的最大撓度值滿足規(guī)范要求，對其構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)。通過模擬將邊縱桁和中間縱桁結(jié)構(gòu)尺寸由L8×275/75改為L13×275/150（即在L8×275/75背面加L5×275/75），以減少跳板骨材的撓度。后頁圖3為改變結(jié)構(gòu)后跳板應(yīng)力、應(yīng)變云圖。通過與未改變結(jié)構(gòu)前的計(jì)算值進(jìn)行比較，跳板各構(gòu)件的應(yīng)力和撓度值有明顯的下降，且都滿足規(guī)范的要求。

4 結(jié)語

（1）通過有限元計(jì)算分析，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范的要求，但撓度值超出了規(guī)范的要求，主要結(jié)構(gòu)骨材撓度最大值位于跳板的跨距中間。實(shí)際跳板在使用過程中由于產(chǎn)生的撓度過大，且撓度最大的位置也是車輛跳板的中間位置，從而使跳板中部彎曲變形嚴(yán)重，呈拋物線形狀。實(shí)船跳板變形結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果基本一致。

（2）為減少汽車通過跳板時(shí)動載荷對跳板強(qiáng)度和撓度的影響，建議車輛勻速緩慢通過跳板。

（3）在外載荷和邊界條件一定的情況下，縱向構(gòu)件是跳板的強(qiáng)度和撓度的主要影響因素。建議合理地縮短跳板縱向構(gòu)件的跨距，相應(yīng)加大縱向構(gòu)件的尺寸，合理減小橫向構(gòu)件的尺寸，以減小跳板的變形量和減輕跳板重量。

（4）由于有限元計(jì)算過程中沒有考慮到跳板骨架的焊接質(zhì)量影響，為了避免撓度過大而拉裂焊接結(jié)構(gòu)，建造或修理改裝時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)焊接規(guī)格施焊。

（5）建議設(shè)計(jì)車客渡船跳板結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)用結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)和有限元分析進(jìn)行合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

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作者簡介：廖燕輝（1985-），工程師，研究方向：船舶檢驗(yàn)。