游艇上下水斜架车有限元计算分析研究

侯小强

（甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050）

游艇上下水斜架车有限元计算分析研究

侯小强

（甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050）

为确保船舶上下水安全，在根据游艇荷载分布的基础上，提出了斜架车荷载布置及强度校核方法。通过建立有限元模型分析，对节点和单元位移及应力大小变化进行分析，证明斜架车设计的科学性和合理性，且满足斜架车安全使用要求。

斜架车；有限元；应力分析

0 引言

游艇休闲娱乐活动在我国湖泊、近海等旅游地区已经比较普遍，特别是豪华游艇有助于提高旅游休闲等级和品位，游艇运营和管理工作需要进一步提高。目前针对大型豪华游艇的检修保养工作，要从安全方面引起足够重视，许多旅游码头附近相继建立船舶起泊设施，开展大型游艇船舶维修保养工作，另外，北方地区结冰时期，船舶可到船台处上岸停靠，减少冰的冻融对船体的破坏，因此，保证船舶上下水工作必须建造满足荷载要求的斜架车。由于斜架车受力分析比较复杂，根据其工作原理，必须明确承载船舶的荷载大小及荷载分布，进行合理力学分析，以满足设计要求[1，2]。

1 工程简述

青海湖航运（二期）工程，位于青海湖东南岸边，隶属海南州管辖。该工程在船台区区域布置6条纵向滑道，横移区设置5条横移滑道,与陆域前沿垂直处设置一条上下水主滑道向湖中延伸，可供3～4艘船舶修造。船台区主滑道垂直于湖岸，向湖中延伸，与上、下水滑道衔接，上、下水滑道坡度为1∶18，滑道末端高程为-5.80 m，如图1所示。

根据工程建设实际情况，搜救中心设计船型为双体客船，船长42.4 m，型宽12.6 m，空载吃水1.9 m，空载到港排水量343.94 t，总重量500 t。本次对该船上岸保养和检修工作设置一台斜架车完成船舶上下水工作任务。

2 斜架车工作原理

船舶落在下水主滑道斜架车上的支墩上→启动卷扬机拉动斜架车移动到下水滑道顶端→50 t船台小车液压顶升托起船舶移动对准横移滑道→船台小车横移至转向处转向→移动到船台区进行修理。

3 荷载布置及结构计算原则

3.1 布荷原则

荷载布置是斜架车进行设计前提，船体空船下水重量及其船体荷载分布直接影响着斜架车杆件布设情况，特别对斜架车在船体上的支承位置进行布置。主要考虑三个因素：（1）斜架车支撑部分设置和船体重量分布一致；（2）斜架车支撑部分与走滑钢轮一致；（3）斜架车在滑道空间位置和船体荷载不均匀产生集中应力，防止变形过大，对于船体结构和斜架车的薄弱部位，应设置均载胎架使载荷分散[3]。

本次斜架车最大荷载为500 t，计算荷载600 t（120%）超负荷校核，荷载布置根据斜架车空船重量、重心及斜架车滑道布置情况计算，具体如图2和图3所示。

3.2 计算及校核原则

斜架车载荷分配时，考虑自重和额定荷载。自重方面，由于采用钢结构，斜架车体积较大，且满足较大荷载要求，因此，自重决不能忽视。额定荷载按照设计荷载1.2系数进行计算，斜架车支撑力总和应与船舶设计重量相等，且同船体重心保持平衡[4-5]。斜架车校核，主要计算在设计荷载和自重作用下，其所有桁架杆件的所承受弯矩和轴力拉压作用下，其杆件和杆件节点处应力是否超过钢材的屈服应力。

图1 工程平面布置图（单位：cm）

图2 斜架车立面布置图（单位：mm）

图3 斜架车横断面图

4 结构布置及力学分析

4.1 结构布置

根据青海湖气温在最高温度25℃，最低温度在-25℃，钢材选择除考虑强度之外，还必须考虑温度应力变化，因此选用Q235D型钢材，除强度之外还能满足我国北方气候要求。根据其船体空船下水重量、船舶荷载分布及横移滑道位置，斜架车结构布置如图2和图3所示。根据船体荷载不均匀性，横断面⑨和⑩每个横移钢轮荷载为12 t，①～⑧断面每个横移钢轮荷载为10 t进行布置，共计648 t。纵断面即斜架车上下水滑道，主要受力点①～⑩为断面处，采用钢轮荷载标准为50 t（厂家订做）。本次结构计算利用Midas/Civil建立有限元模型，共计499个节点，1 295个单元。

4.2 力学分析

根据荷载布置和总体结构设计，在有限元计算分析后，从变形可以看出，该结构斜架车主要受力集中在①～⑩横断面处，其他受力均很小。本次主要针对①～⑩横断面进行受力分析。

由于斜架车纵向底梁为1∶18坡比，决定了①～⑩横断面几何尺寸可变性，相应各竖向支撑、斜撑和上下横梁的受力大小各不相同，要保证结构满足荷载要求，就必须分析横断面各结构节点和单元应力大小情况是否满足规范要求。由图4可知，①～⑩横断面处1～12节点对应的最小位移0.200 mm,最大竖向位移为1.868 mm。根据变形曲线图可以看出，①～⑩横梁是随着横断面高度逐渐变小，各节点竖向位移逐渐增加，其变形就越大，①～⑧且横梁随着横断面高度减小，各节点竖向位移变化较小，在⑨和⑩两个横断面各节点竖向位移比前面大很多，横断面高度仅为50 cm左右,其他斜撑发挥作用不是很大。各节点位移的大小不同，说明每个节点和单元受力各不相同，同时最大位移1.868 mm，对船体结构不会受到影响。因此，对斜架车很有必要进一步进行受力分析，主要从拉应力、压应力和剪应力三个方面分析其应力大小是否满足钢材力学性能要求。

如图5所示，①～⑩横断面处，1～10单元总体应力情况可以看出，1、2、5、6、8、9单元受拉应力较大，随着横断面高度减小，单元拉应力变大，最大拉应力为72 MPa；7和10单元受到压应力，随着横断面高度减小，单元压应力变大，最大压应力为-32.672 MPa，两个最大拉应力和最大压应力在⑩横断面处。

图4 ①～⑩#横梁各节点位移

图5 ①～⑩#横梁各单元应力

横向斜撑和竖向支撑受力也很重要，直接决定着结构整体稳定性，对于支撑进行受力分析也非常重要。如图6所示，①～⑩横断面处，单元总体应力情况可以看出，大部分承受压应力，仅 13、16、20、22四个单元受拉应力，且变化在15.3 MPa至 22.4 MPa之间，11、12、14、15、17、18、19、21、23、24、25共计11个单元受压应力较大，其中,14、15、17、18、19、21共计6个单元压应力变化较小，在-10.0 MPa至-22.2 MPa之间；11、12、23、24共计4个单元受到压应力变化较大，在-27.1 MPa至-58.2 MPa之间，随着横断面高度减小，单元压应力变大，最大压应力为-58.2 MPa，两个最大拉应力和最大压应力在⑩横断面处。

剪应力也是必须计算分析的主要指标，桁架结构通常产生弯矩的杆件比较小，通过本次有限元计算分析，如图7所示，①～⑩横断面处上横梁主要表现上横梁单元，比较突出的为1、2、5、6单元，其中①～⑧横梁截面面积为1.32×104mm2，⑨、⑩横梁截面面积为2.19×104mm2，根据其所受最大剪力，得出剪应力分别为56.1 MPa和59.7 MPa。

本次选用材料为选用Q235D型钢材[6]。该钢材屈服极限q=235 MPa，总纵弯曲许用应力117.5 MPa，容许剪应力为85 MPa。通过对各截面的应力计算分析，最大拉压应力均小于材料容许应力117.5 MPa，最大剪应力也小于85 MPa，从图5、图6、图7可知，应力大小均满足设计要求，达到结构稳定性要求。

图6 ①～⑩横梁斜撑和竖撑各单元应力

图7 ①～⑩横梁单元剪应力

5 结论

通过对青海湖航运（二期）工程斜架车有限元计算分析，针对各横梁位移、拉应力、压应力、剪应力大小进行分析，提出比较合理的结论，更好地为斜架车设计提供科学的理论依据。

（1）对斜架车受力应考虑游艇船体载荷的不均匀性，使斜架车支撑力总和应于船舶设计重量相等，且同船体重心保持平衡。

（2）斜架车有限元计算，除计算各节点和单元受力点拉压应力、剪应力满足要求外，还必须计算位移，防止过大位移对于船体结构影响。

（3）选用钢材，除满足设计强度指标以外，还必须考虑钢材的温度影响。

[1]杰德.杨永谦.船体强度与结构设计[M].武汉：武汉水运工程学院，1992．

[2]郑杰.徐天芳.张茹秀．斜架车加长改造的技术分析[J].水运工程，2004（8）：8-11．

[3]罗国胜.船舶横向下水状态斜架车的布置与载荷校核[J].交通科技，2008（6）：110-111．

[4]张一帆.斜船架结构承载试验与有限元分析[J].船舶技术，2005（2）：80-84．

[5]翟高进.谢云平.薛云.基于矩阵位移法的浮箱载船下水分析方法[J].船海工程2010,39(5)：65-68.

[6]GB 50017━2003，钢结构设计规范[S].

U674.91

B

1009-7716（2016）05-0248-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.069

2016-02-01

甘肃省科技支撑计划研究项目（1304FKA055）;甘肃省高等学校科研项目（2013B-124）

侯小强（1977-），男，甘肃正宁人，高级工程师，主要从事码头设计研究和教学工作。