宋 陽(yáng)， 馬 駿

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

LPG船大型分段運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)分析

宋 陽(yáng)， 馬 駿

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

以83 000 m3超大型全冷式液化氣船雙層底分段作為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際模型圖紙數(shù)據(jù)建立分段運(yùn)輸模型，主要分析其在不同運(yùn)輸工況下動(dòng)力學(xué)特性。在設(shè)置運(yùn)輸環(huán)境時(shí)，主要分析路面不平整和緊急剎車兩種運(yùn)輸工況對(duì)分段結(jié)構(gòu)可靠性的影響。通過(guò)分析出的大型分段運(yùn)輸最佳工況，為提升船廠建造LPG船等高端船舶的效率提供參考。

LPG船；大型分段；運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)；非線性有限元法；接觸分析

0 引言

船體分段運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)是研究船體結(jié)構(gòu)可靠性的學(xué)科，指在船舶建造過(guò)程中，由平板車運(yùn)送船體分段過(guò)程中，對(duì)船體分段的強(qiáng)度、變形狀況及穩(wěn)定性的研究。運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)研究起始于20世紀(jì)50年代，現(xiàn)階段主要集中在汽車業(yè)，汽車運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)方面有代表性的著作是德國(guó)MITSCHKE和WALCENTOWITZ[1]編著的汽車動(dòng)力學(xué)。美國(guó)GILLESPIE[2]教授也全面介紹了車輛動(dòng)力學(xué)的基本工程原理及汽車性能的分析方法。國(guó)內(nèi)有代表性的著作是張洪欣[3]教授的汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和喻凡、林逸[4]教授所著的汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。合肥工業(yè)大學(xué)的史沛瑤[5]基于Adams/CAR軟件，根據(jù)路面激勵(lì)的分類建立了整車運(yùn)輸包裝系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。在對(duì)LPG船分段的研究中，大多采用隱式有限元分析法，通過(guò)建立LPG 船艙段的三維有限元模型，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析[6]。

雖然大型貨物運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)的相關(guān)研究已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外取得了一些成果，但是在這些研究成果中多數(shù)是偏宏觀和定性的陳述。針對(duì)大型貨物運(yùn)輸可靠性而開(kāi)發(fā)的許多系統(tǒng)，也多是面向大型貨物運(yùn)輸前期工作中的路線規(guī)劃。對(duì)于實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中影響大型貨物運(yùn)輸可靠性的相關(guān)因素卻鮮有涉及，而為數(shù)不多的涉及安全穩(wěn)定性的研究也只是處于理論推導(dǎo)階段。實(shí)際上，大型貨物運(yùn)輸過(guò)程中存在著多種安全問(wèn)題，例如：貨車上坡時(shí)其牽引力和產(chǎn)生的摩擦力能否滿足不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的條件；下坡時(shí)制動(dòng)力多大才能保障可靠性；路面不平整度對(duì)運(yùn)輸過(guò)程的影響；等。本文選取LPG船分段建立計(jì)算模型，針對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中路面不平整激勵(lì)、不同車速緊急剎車激勵(lì)等特殊運(yùn)輸工況以及如何施加載荷做詳細(xì)的計(jì)算與分析。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 數(shù)值方法

采用非線性有限元法求解接觸載荷，在求解非線性問(wèn)題的有限元方法中，Lagrange描述增量法是較常用的方法之一。在使用Lagrange方法中，節(jié)點(diǎn)作為形成網(wǎng)格的基礎(chǔ)成員分布在研究對(duì)象上，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)有序連接形成特定單元，網(wǎng)格則由這些特定單元組合而成。在變形分析中，節(jié)點(diǎn)、單元都隨著結(jié)構(gòu)材料一起移動(dòng)，單元質(zhì)量恒定。

1.2 模型的建立

LPG船大型分段運(yùn)輸模型主要包含：LPG船分段、墩木和平板車3個(gè)部分。其中，LPG船分段選取的是83 000 m3全冷式LPG船的左舷典型雙層底大型分段。該分段模型重176.8 t，縱向尺寸為16.9 m，橫向尺寸為18.3 m，垂向尺寸為6.75 m。墩木邊長(zhǎng)1.2 m，寬0.8 m，高0.5 m，共15個(gè)。墩木作為分段與平板車之間的過(guò)渡支撐，位于旁桁材與框架肋板交界處下方，如圖1所示。

圖1 LPG船大型分段、墩木和簡(jiǎn)化平板車模型

在大型分段建模過(guò)程中，通常將橫截面較小的梁結(jié)構(gòu)使用線單元建立，通過(guò)定義截面屬性的方式來(lái)模擬梁的效果，但是這樣就會(huì)影響模型中與其相近肘板等結(jié)構(gòu)的尺寸。為了讓模型分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，在建立船體分段模型的過(guò)程中，全部使用面單元Shell 163建立，平板車的承載面也由Shell 163單元建立，考慮平板車自身特性，將此模型中的平板車視為剛體。墩木模型及平板車承載面下方簡(jiǎn)化輪胎模型所用單元為Solid 164單元[7]。

2 多種運(yùn)輸工況仿真計(jì)算

2.1 分段運(yùn)輸中基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

在設(shè)置分段運(yùn)輸模型的基礎(chǔ)參數(shù)時(shí)，重力加速度為9.8 m/s2，墩木與平板車之間的最大靜摩擦系數(shù)為0.4，滑動(dòng)動(dòng)摩擦系數(shù)為0.35。圖2為平板車靜止情況下的計(jì)算結(jié)果，以供比較。

圖2 平板車靜止時(shí)分段模型3個(gè)方向的時(shí)程曲線

由圖2a可以看出，水平方向(X向和Y向)兩個(gè)加速度保持為零，而豎直方向(Z向)的加速度由于初始階段受重力作用影響，墩木和分段受到?jīng)_擊而發(fā)生振蕩。

2.2 分段運(yùn)輸中緊急剎車工況

特大型平板車的剎車時(shí)間通常約1 s，緊急剎車時(shí)間約為0.4 s，最大行駛速度為5 km/h。由限制滑移的條件可知，緊急剎車時(shí)加速度a<3.92 m/s2。考慮LPG船分段的特殊性，設(shè)定4種工況分別對(duì)模型進(jìn)行分析。緊急剎車工況中約束平板車簡(jiǎn)化輪胎模型在豎直方向上的位移，平板車運(yùn)行總時(shí)間為10 s。4種工況如表1所示。

表1 緊急剎車激勵(lì)載荷

2.3 分段運(yùn)輸中承受路面不平整激勵(lì)工況

假定平板車運(yùn)輸分段過(guò)程中，在各種路面不平整激勵(lì)載荷作用時(shí)行駛速度均為v=0.8 m/s，平板車運(yùn)行總時(shí)間均為10 s，根據(jù)路面不平整激勵(lì)的級(jí)別，設(shè)定了4種激勵(lì)載荷，詳細(xì)數(shù)值如表2所示。

表2 路面不平整激勵(lì)載荷

3 結(jié)果分析

截取分析過(guò)程中的前4 s結(jié)果，如圖3～圖6所示。

3.1 緊急剎車激勵(lì)對(duì)分段運(yùn)輸可靠性的影響

圖3為分段模型在3個(gè)方向上加速度的變化情況以及靜止?fàn)顩r下分段3個(gè)方向上的加速度比較。從中可以看出，在緊急剎車激勵(lì)工況下分段模型只在Y方向上的加速度有較大變化，可知緊急剎車激勵(lì)對(duì)Y方向的動(dòng)力學(xué)特性影響較大。因此，本文以剎車激勵(lì)對(duì)Y方向上動(dòng)力學(xué)特性的影響為例，分析分段運(yùn)輸過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性。

圖4為不同行駛速度下平板車與分段的時(shí)程曲線。從中可以看出，平板車和分段在1.8 s(剎車)～2.2 s，速度曲線保持不變，這表明兩者受到相同的加速度作用，速度減小趨勢(shì)相同，平板車與分段之間沒(méi)有產(chǎn)生滑移，此過(guò)程為平穩(wěn)剎車。

圖3 不同行駛速度分段模型加速度時(shí)程曲線

圖4 不同行駛速度時(shí)平板車與分段速度時(shí)程曲線

圖5 不同車速緊急剎車激勵(lì)對(duì)分段行駛方向最大應(yīng)力及應(yīng)變影響

除了宏觀地分析分段運(yùn)輸過(guò)程中的穩(wěn)定性之外，還需要定性地分析分段模型在運(yùn)輸過(guò)程中的受力及變形情況。表3列出了4種緊急剎車工況下分段運(yùn)行方向的最大應(yīng)力與應(yīng)變值。

表3 各工況結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖6 不同路面激勵(lì)下分段模型加速度時(shí)程曲線

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)繪制變化曲線，得到不同車速下緊急剎車激勵(lì)對(duì)分段行駛方向最大應(yīng)力及最大應(yīng)變的影響，如圖5所示。

從圖5中可以看出，在緊急剎車時(shí)間同為0.4 s的條件下，隨著平板車行駛速度的增加，分段行駛方向最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均不斷增加。由最大應(yīng)力曲線可以看出，在考慮緊急剎車時(shí)間為0.4 s時(shí)，此分段運(yùn)輸過(guò)程應(yīng)控制運(yùn)行最大速度為0.8 m/s，以保證分段緊急剎車中最大應(yīng)力不超出屈服極限235 MPa而產(chǎn)生塑性變形。

3.2 路面不平整激勵(lì)對(duì)分段運(yùn)輸可靠性的影響

在ANSYS/LS-DYNA中計(jì)算4種路面不平整激勵(lì)工況，結(jié)果如下。

由圖6中后3個(gè)工況的加速度變化情況與工況一分段3個(gè)方向上的加速度變化情況比較可知，分段模型在Z軸方向上的加速度有較大變化，故路面不平整激勵(lì)工況對(duì)Z軸方向上的動(dòng)力學(xué)特性影響較大。因此，本文以路面不平整激勵(lì)對(duì)Z軸方向上動(dòng)力學(xué)特性的影響為例，分析分段運(yùn)輸過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性。由計(jì)算結(jié)果列出4種工況下豎直方向最大應(yīng)力值及最大應(yīng)變值，如表4所示。

表4 4種工況結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

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根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，在Excel軟件中繪制變化曲線，得出不同路面不平整激勵(lì)對(duì)分段豎直方向最大應(yīng)力及最大應(yīng)變的影響，如圖7所示。

圖7 不同路面激勵(lì)對(duì)分段豎直方向最大應(yīng)力及最大應(yīng)變影響

從圖7中可以看到，隨著豎直方向路面不平整激勵(lì)的增加，分段在豎直方向上的最大應(yīng)力在不斷增加，在豎直方向上的最大應(yīng)變也在不斷增加。由于制造分段所用的鋼材屈服極限為235 MPa，假設(shè)平板車行駛速度保持為v=0.8 m/s，則當(dāng)路面豎直方向激勵(lì)值大于22.5 mm時(shí)，分段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度容易遭到破壞，行駛過(guò)程應(yīng)小心避免。

4 結(jié)語(yǔ)

以LPG大型分段為研究對(duì)象，采用有限元法對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到如下結(jié)論：

(1) 為保證緊急剎車時(shí)LPG船分段的可靠性，平板車行駛速度應(yīng)限制在0.8 m/s以內(nèi)。

(2) 當(dāng)平板車以0.8 m/s速度行駛時(shí)，大于22.5 mm的豎直方向激勵(lì)易使分段遭到破壞，應(yīng)謹(jǐn)慎避免。

[1] (德)MITSCHKE M, WALLENTOWITZ H.汽車動(dòng)力學(xué)[M].4版.北京：清華大學(xué)出版社,2009.

[2] (美)GILLESPIE T D.車輛動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].趙六奇,金達(dá)鋒，譯.北京：清華大學(xué)出版社,2006.

[3] 張洪欣.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,1996.

[4] 喻凡,林逸.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[5] 史沛瑤.重型貨車運(yùn)輸過(guò)程動(dòng)力學(xué)建模分析及貨物可靠性影響因素研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2013.

[6] 梅明.全壓式LPG船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2013.

[7] 張紅松,胡仁喜,康士延,等.ANSYS 14.5/LS-DYNA非線性有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

Dynamics Analysis of Large Block of LPG Ship in Transport

SONG Yang, MA Jun

(Department of Naval Architecture, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning， China)

Taken the block size of 83 000 m3double bottom LPG ship as the research target, the establishment of transportation model block is based on the data of actual model drawings. The dynamic characteristics of the block in different transportation conditions are mainly analyzed. When the transportation environment is set up, the uneven pavement excitation and the emergency braking are taken into account. The best transportation environment of large block size can provide references for the efficiency improvement of advanced shipbuilding such as LPG.

LPG ship; large block; transport dynamics; nonlinear finite element method; contact analysis

宋 陽(yáng)(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物振動(dòng)及強(qiáng)度分析研究。

U673

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