侯小強(qiáng)

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

游艇上下水斜架車有限元計(jì)算分析研究

侯小強(qiáng)

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

為確保船舶上下水安全，在根據(jù)游艇荷載分布的基礎(chǔ)上，提出了斜架車荷載布置及強(qiáng)度校核方法。通過(guò)建立有限元模型分析，對(duì)節(jié)點(diǎn)和單元位移及應(yīng)力大小變化進(jìn)行分析，證明斜架車設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，且滿足斜架車安全使用要求。

斜架車；有限元；應(yīng)力分析

0 引言

游艇休閑娛樂活動(dòng)在我國(guó)湖泊、近海等旅游地區(qū)已經(jīng)比較普遍，特別是豪華游艇有助于提高旅游休閑等級(jí)和品位，游艇運(yùn)營(yíng)和管理工作需要進(jìn)一步提高。目前針對(duì)大型豪華游艇的檢修保養(yǎng)工作，要從安全方面引起足夠重視，許多旅游碼頭附近相繼建立船舶起泊設(shè)施，開展大型游艇船舶維修保養(yǎng)工作，另外，北方地區(qū)結(jié)冰時(shí)期，船舶可到船臺(tái)處上岸?？?，減少冰的凍融對(duì)船體的破壞，因此，保證船舶上下水工作必須建造滿足荷載要求的斜架車。由于斜架車受力分析比較復(fù)雜，根據(jù)其工作原理，必須明確承載船舶的荷載大小及荷載分布，進(jìn)行合理力學(xué)分析，以滿足設(shè)計(jì)要求[1，2]。

1 工程簡(jiǎn)述

青海湖航運(yùn)（二期）工程，位于青海湖東南岸邊，隸屬海南州管轄。該工程在船臺(tái)區(qū)區(qū)域布置6條縱向滑道，橫移區(qū)設(shè)置5條橫移滑道,與陸域前沿垂直處設(shè)置一條上下水主滑道向湖中延伸，可供3～4艘船舶修造。船臺(tái)區(qū)主滑道垂直于湖岸，向湖中延伸，與上、下水滑道銜接，上、下水滑道坡度為1∶18，滑道末端高程為-5.80 m，如圖1所示。

根據(jù)工程建設(shè)實(shí)際情況，搜救中心設(shè)計(jì)船型為雙體客船，船長(zhǎng)42.4 m，型寬12.6 m，空載吃水1.9 m，空載到港排水量343.94 t，總重量500 t。本次對(duì)該船上岸保養(yǎng)和檢修工作設(shè)置一臺(tái)斜架車完成船舶上下水工作任務(wù)。

2 斜架車工作原理

船舶落在下水主滑道斜架車上的支墩上→啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)拉動(dòng)斜架車移動(dòng)到下水滑道頂端→50 t船臺(tái)小車液壓頂升托起船舶移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)橫移滑道→船臺(tái)小車橫移至轉(zhuǎn)向處轉(zhuǎn)向→移動(dòng)到船臺(tái)區(qū)進(jìn)行修理。

3 荷載布置及結(jié)構(gòu)計(jì)算原則

3.1 布荷原則

荷載布置是斜架車進(jìn)行設(shè)計(jì)前提，船體空船下水重量及其船體荷載分布直接影響著斜架車桿件布設(shè)情況，特別對(duì)斜架車在船體上的支承位置進(jìn)行布置。主要考慮三個(gè)因素：（1）斜架車支撐部分設(shè)置和船體重量分布一致；（2）斜架車支撐部分與走滑鋼輪一致；（3）斜架車在滑道空間位置和船體荷載不均勻產(chǎn)生集中應(yīng)力，防止變形過(guò)大，對(duì)于船體結(jié)構(gòu)和斜架車的薄弱部位，應(yīng)設(shè)置均載胎架使載荷分散[3]。

本次斜架車最大荷載為500 t，計(jì)算荷載600 t（120%）超負(fù)荷校核，荷載布置根據(jù)斜架車空船重量、重心及斜架車滑道布置情況計(jì)算，具體如圖2和圖3所示。

3.2 計(jì)算及校核原則

斜架車載荷分配時(shí)，考慮自重和額定荷載。自重方面，由于采用鋼結(jié)構(gòu)，斜架車體積較大，且滿足較大荷載要求，因此，自重決不能忽視。額定荷載按照設(shè)計(jì)荷載1.2系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，斜架車支撐力總和應(yīng)與船舶設(shè)計(jì)重量相等，且同船體重心保持平衡[4-5]。斜架車校核，主要計(jì)算在設(shè)計(jì)荷載和自重作用下，其所有桁架桿件的所承受彎矩和軸力拉壓作用下，其桿件和桿件節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力是否超過(guò)鋼材的屈服應(yīng)力。

圖1 工程平面布置圖（單位：cm）

圖2 斜架車立面布置圖（單位：mm）

圖3 斜架車橫斷面圖

4 結(jié)構(gòu)布置及力學(xué)分析

4.1 結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)青海湖氣溫在最高溫度25℃，最低溫度在-25℃，鋼材選擇除考慮強(qiáng)度之外，還必須考慮溫度應(yīng)力變化，因此選用Q235D型鋼材，除強(qiáng)度之外還能滿足我國(guó)北方氣候要求。根據(jù)其船體空船下水重量、船舶荷載分布及橫移滑道位置，斜架車結(jié)構(gòu)布置如圖2和圖3所示。根據(jù)船體荷載不均勻性，橫斷面⑨和⑩每個(gè)橫移鋼輪荷載為12 t，①～⑧斷面每個(gè)橫移鋼輪荷載為10 t進(jìn)行布置，共計(jì)648 t。縱斷面即斜架車上下水滑道，主要受力點(diǎn)①～⑩為斷面處，采用鋼輪荷載標(biāo)準(zhǔn)為50 t（廠家訂做）。本次結(jié)構(gòu)計(jì)算利用Midas/Civil建立有限元模型，共計(jì)499個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 295個(gè)單元。

4.2 力學(xué)分析

根據(jù)荷載布置和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在有限元計(jì)算分析后，從變形可以看出，該結(jié)構(gòu)斜架車主要受力集中在①～⑩橫斷面處，其他受力均很小。本次主要針對(duì)①～⑩橫斷面進(jìn)行受力分析。

由于斜架車縱向底梁為1∶18坡比，決定了①～⑩橫斷面幾何尺寸可變性，相應(yīng)各豎向支撐、斜撐和上下橫梁的受力大小各不相同，要保證結(jié)構(gòu)滿足荷載要求，就必須分析橫斷面各結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和單元應(yīng)力大小情況是否滿足規(guī)范要求。由圖4可知，①～⑩橫斷面處1～12節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最小位移0.200 mm,最大豎向位移為1.868 mm。根據(jù)變形曲線圖可以看出，①～⑩橫梁是隨著橫斷面高度逐漸變小，各節(jié)點(diǎn)豎向位移逐漸增加，其變形就越大，①～⑧且橫梁隨著橫斷面高度減小，各節(jié)點(diǎn)豎向位移變化較小，在⑨和⑩兩個(gè)橫斷面各節(jié)點(diǎn)豎向位移比前面大很多，橫斷面高度僅為50 cm左右,其他斜撐發(fā)揮作用不是很大。各節(jié)點(diǎn)位移的大小不同，說(shuō)明每個(gè)節(jié)點(diǎn)和單元受力各不相同，同時(shí)最大位移1.868 mm，對(duì)船體結(jié)構(gòu)不會(huì)受到影響。因此，對(duì)斜架車很有必要進(jìn)一步進(jìn)行受力分析，主要從拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力三個(gè)方面分析其應(yīng)力大小是否滿足鋼材力學(xué)性能要求。

如圖5所示，①～⑩橫斷面處，1～10單元總體應(yīng)力情況可以看出，1、2、5、6、8、9單元受拉應(yīng)力較大，隨著橫斷面高度減小，單元拉應(yīng)力變大，最大拉應(yīng)力為72 MPa；7和10單元受到壓應(yīng)力，隨著橫斷面高度減小，單元壓應(yīng)力變大，最大壓應(yīng)力為-32.672 MPa，兩個(gè)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力在⑩橫斷面處。

圖4 ①～⑩#橫梁各節(jié)點(diǎn)位移

圖5 ①～⑩#橫梁各單元應(yīng)力

橫向斜撐和豎向支撐受力也很重要，直接決定著結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，對(duì)于支撐進(jìn)行受力分析也非常重要。如圖6所示，①～⑩橫斷面處，單元總體應(yīng)力情況可以看出，大部分承受壓應(yīng)力，僅 13、16、20、22四個(gè)單元受拉應(yīng)力，且變化在15.3 MPa至 22.4 MPa之間，11、12、14、15、17、18、19、21、23、24、25共計(jì)11個(gè)單元受壓應(yīng)力較大，其中,14、15、17、18、19、21共計(jì)6個(gè)單元壓應(yīng)力變化較小，在-10.0 MPa至-22.2 MPa之間；11、12、23、24共計(jì)4個(gè)單元受到壓應(yīng)力變化較大，在-27.1 MPa至-58.2 MPa之間，隨著橫斷面高度減小，單元壓應(yīng)力變大，最大壓應(yīng)力為-58.2 MPa，兩個(gè)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力在⑩橫斷面處。

剪應(yīng)力也是必須計(jì)算分析的主要指標(biāo)，桁架結(jié)構(gòu)通常產(chǎn)生彎矩的桿件比較小，通過(guò)本次有限元計(jì)算分析，如圖7所示，①～⑩橫斷面處上橫梁主要表現(xiàn)上橫梁?jiǎn)卧?，比較突出的為1、2、5、6單元，其中①～⑧橫梁截面面積為1.32×104mm2，⑨、⑩橫梁截面面積為2.19×104mm2，根據(jù)其所受最大剪力，得出剪應(yīng)力分別為56.1 MPa和59.7 MPa。

本次選用材料為選用Q235D型鋼材[6]。該鋼材屈服極限q=235 MPa，總縱彎曲許用應(yīng)力117.5 MPa，容許剪應(yīng)力為85 MPa。通過(guò)對(duì)各截面的應(yīng)力計(jì)算分析，最大拉壓應(yīng)力均小于材料容許應(yīng)力117.5 MPa，最大剪應(yīng)力也小于85 MPa，從圖5、圖6、圖7可知，應(yīng)力大小均滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

圖6 ①～⑩橫梁斜撐和豎撐各單元應(yīng)力

圖7 ①～⑩橫梁?jiǎn)卧魬?yīng)力

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)青海湖航運(yùn)（二期）工程斜架車有限元計(jì)算分析，針對(duì)各橫梁位移、拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力大小進(jìn)行分析，提出比較合理的結(jié)論，更好地為斜架車設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論依據(jù)。

（1）對(duì)斜架車受力應(yīng)考慮游艇船體載荷的不均勻性，使斜架車支撐力總和應(yīng)于船舶設(shè)計(jì)重量相等，且同船體重心保持平衡。

（2）斜架車有限元計(jì)算，除計(jì)算各節(jié)點(diǎn)和單元受力點(diǎn)拉壓應(yīng)力、剪應(yīng)力滿足要求外，還必須計(jì)算位移，防止過(guò)大位移對(duì)于船體結(jié)構(gòu)影響。

（3）選用鋼材，除滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)以外，還必須考慮鋼材的溫度影響。

[1]杰德.楊永謙.船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].武漢：武漢水運(yùn)工程學(xué)院，1992．

[2]鄭杰.徐天芳.張茹秀．斜架車加長(zhǎng)改造的技術(shù)分析[J].水運(yùn)工程，2004（8）：8-11．

[3]羅國(guó)勝.船舶橫向下水狀態(tài)斜架車的布置與載荷校核[J].交通科技，2008（6）：110-111．

[4]張一帆.斜船架結(jié)構(gòu)承載試驗(yàn)與有限元分析[J].船舶技術(shù)，2005（2）：80-84．

[5]翟高進(jìn).謝云平.薛云.基于矩陣位移法的浮箱載船下水分析方法[J].船海工程2010,39(5)：65-68.

[6]GB 50017━2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

U674.91

B

1009-7716（2016）05-0248-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.069

2016-02-01

甘肅省科技支撐計(jì)劃研究項(xiàng)目（1304FKA055）;甘肅省高等學(xué)校科研項(xiàng)目（2013B-124）

侯小強(qiáng)（1977-），男，甘肅正寧人，高級(jí)工程師，主要從事碼頭設(shè)計(jì)研究和教學(xué)工作。