不同加强结构对跳板结构连接处强度影响研究

吴承恩,徐海涛,蔡 灵

(1.南通中远海运船务工程有限公司,江苏 南通 226006;2.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院,江苏 镇江 212000)

0 引言

近年来,汽车行业的快速发展使得大型滚装船越来越受欢迎。用作汽车跳板的滚装船艉门展开作业时,主要依靠跳板与船体的连接结构来支撑和传递跳板所承受的车辆载荷和其他外力因素。因此,对艉跳板连接结构进行强度校核和对连接加强结构进行设计,是艉跳板系统设计中关键的环节,直接关系到艉跳板的安全性[1]。

国内外学者对跳板系统设计及钢结构连接问题已经做出一定的研究。IMAMOVIC等[2]根据静力学和动力学的连接钢结构极限状态计算的试验,说明了正确预测整体钢框架结构响应的重要性。PENG等[3]设计了一种机械铰链梁柱连接,验证了预测连接行为的理论方程。HOSSEINI等[4]提出了3种钢结构连接方式,并进行数值分析与试验分析证实其实用性。LYU等[5]对高强度钢连接承载性能进行了数值研究,提出了考虑劈裂破坏的极限承载力计算公式。邵学祥等[6]、冯兴玺等[7]对跳板结构进行了优化设计,既增强了跳板强度又降低了重量。韩小溪等[8]对跳板进行试验和仿真联合研究,为渡船跳板安全性分析提供了可靠的方法。徐静伟[9]围绕钢结构梁柱节点探讨了节点连接设计优化的对策。在对跳板连接结构进行强度校核时通常是简单地用1.1倍动载荷系数乘以车辆轴载荷转化为静载荷,然后采用有限元计算或者是估算法,最终得到连接结构的应力[10]。但这样的方法已经很难达到滚装船艉部的设计要求。

对此,本文提出4 种适合艉跳板与船体的连接加强结构方案,并采用非线性有限元法对车辆通过艉跳板的过程进行动力学仿真,以便通过结构连接热点的应力和变形情况选出具有可变性强、强度高、刚度可靠的最优方案。

1 跳板连接结构特点分析

1.1 跳板连接结构特点

跳板展开时,与之相连的船体结构(如:铰链眼板、车辆甲板纵桁、艉封板等)成为跳板展开工作时保证艉部强度的主要构件。

眼板一般设置在低于车辆甲板150 mm位置处,方便艉跳板的开合和铰链板的铺设。保证艉部车辆甲板纵向强度的构件主要为车辆甲板纵桁。眼板和车辆甲板纵桁一般设计在同一横向位置,可相互对应来保证结构强度。但眼板和纵桁并非连续构件,而是焊接在滚装船的艉封板上,因此艉跳板连接结构处一直是研究热点。

1.2 跳板连接结构载荷特点

跳板展开时,影响跳板最主要的因素是通行车辆载荷。除了考虑车辆自重,还要考虑车辆载荷是循环载荷,伴随着摩擦力的冲击力,且大型滚装船艉跳板各铰链组间距都比较大,超过1 m甚至是2 m多,所以在船体结构上产生的应力相对集中。另外,实际运营中跳板系统会出现腐蚀、磨损等情况,以及部分吨位较大的重型车辆产生的载荷都会给连接结构带来危险性。

1.3 跳板连接加强结构设计要点分析

为保证车辆通行时的结构强度,设计的加强结构一般增设于焊接处,高度与眼板中心一致。设计的连接加强结构示意见图1。随着车辆装载重量的逐年增加和通行车辆的多样性,跳板结构强度已经不再能够满足设计要求。

图1 跳板连接结构示意

2 跳板连接结构动态模拟分析

2.1 加强结构设计方案

为避免加强结构尺寸的增大对分析结果造成误差,加强结构应在保证重量统一的前提下,根据连接结构特点进行设计。本文提出的4种设计方案见图2,具体内容如下:

图2 连接加强结构方案

(1)方案1为方便施工,采用三角形肘板,直角长边为300 mm焊接在艉封板处,短边为175 mm焊接在纵桁和铰链眼板处,厚度为20 mm。

(2)方案2将最长边修改为凸圆弧形三角板,分析其是否更加有效地传递结构之间的各种作用力,同时作为补偿缩短了加强结构长直角边长度。

(3)方案3考虑到因为铰链组之间的间距过大,在艉封板处容易出现应力高度集中现象,于是延长在艉封板处的加强结构长度,将三角板长边修改为凹圆弧形作为补偿。

(4)方案4将加强结构厚度增加至30 mm,作为补偿缩短了加强结构长直角边长度。

2.2 跳板非线性有限元模型

分析所用的滚装船艉跳板长为40 m,车道宽为6 m。在ABAQUS实体模型中设置船体、车辆跳板和码头。码头简化为长方体体单元。车辆跳板主要考虑对其质量和重心位置有较大影响的主体结构和起约束作用的各处铰链。跳板部分主体及其主次要构件采用壳单元。网格尺寸按照跳板横纵构件尺寸进行划分,尺寸为600 mm×600 mm,铰链眼板位置使用50 mm×50 mm细化网格。由于不考虑铰链轴的强度,连接铰链采用刚体体单元进行描述。船体部分主要考虑艉部车辆甲板及其纵桁,网格尺寸同跳板,连接位置进行细化。船体结构、跳板及其主次要构件所用钢板为船用高强度钢,材料物理属性为:弹性模量2.06×1011GPa,泊松比0.3,剪切模量0.792×1011GPa,屈服强度355 MPa;对于行驶的车辆,将模拟10 km/h下的60 t重车辆通行过程,车轮直径为80 cm。本研究主要分析车辆质量的影响,因而只需模拟施加了质量与速度的橡胶滚轮滚动的过程。ABAQUS仿真模型见图3。

图3 ABAQUS车辆跳板动力学仿真模型

为了合理简化模型,将不考虑受到海风、潮汐等不同海况因素影响的缓慢相对运动。将端部铰链绕X轴和Z轴的旋转进行约束,码头和船体部分采用完全约束。为模拟汽车通行,对橡胶滚轮进行速度与角速度约束,滚轮速度为2.777 78 m/s,角速度为3.617 rad/s。具体作业中汽车在跳板上通行过程大致为14.4 s,计算时间长度为15 s。

2.3 动态模拟相互作用分析

车轮和跳板车道间采用接触模型来定义。施加接触力的相关定义需在软件中设置相关参数值:

(1)力的非线性指数:本分析中车轮材料为橡胶,非线性指数值可以取2～3。在动力学仿真中,非线性指数取值一般大于2.1会使求解更加稳定合理。本研究取默认值2.2。

(2)摩擦系数:由于车辆通行过程模拟中的摩擦力方向与车辆跳板板面平行,对本文主要研究的垂向力影响较小,因此与摩擦力相关数值采取系统默认值即可,即:静摩擦因数0.3,动摩擦因数0.1。

3 分析结果

为反映不同加强结构对结构连接处强度提升的情况,本文针对应力较大的4个连接热点进行应力和变形的比较,位置见图4。

A—肘板、眼板与艉封板连接点;B—眼板与艉封板顶部连接点;C—肘板与艉封板端部连接点;D—眼板与艉封板底部连接点。图4 连接热点选取位置

3.1 艉跳板结构连接处应力分析与对比

对不同加强结构下车辆行驶过程进行动态模拟,对每个测点提取了每个方案中的最大值和平均值进行对比,见图5。由图5可知,总体来看,A点和B点的应力最大,平均应力达到了150 MPa,最大瞬时应力达到200 MPa以上。因为A点和B点距离眼板圆心最近,在车辆载荷和跳板自重载荷作用下,承受了大部分拉力。而D点的应力水平提升现象并不是很明显,均值最低,在几处连接点位置中应力最小,平均应力水平为75 MPa,说明眼板的轮廓和垂向尺寸安全阈值相对较高。根据4种不同加强结构4个连接处侦测点应力历时曲线可知:方案4结构形式应力最大的;方案2的结构设计在A点处提供的强度增加效果相对较好,但在其他连接位置加强作用不太理想。由此可见,方案1在几种加强结构设计中提供了最佳的强度提升效果,方案3效果也比较明显,但总体的强度提升效果不如方案1,且方案3的细长型结构设计也让加强结构自身的应力在几种方案中是最高的。

3.2 斜坡板变形分析与对比

对不同加强结构下车辆行驶过程进行动态模拟,变形历时曲线对比见图6。

由图6可知,随着时间的推移,所有加强结构形式下的各连接热点应力水平均处于上升状态,说明车辆距离铰链越近,铰链承受的作用力越大。在几处连接点的变形中,B点是变形最小的。虽然此处产生的内力较大,但由于此处与车辆甲板距离较近,再加上内部纵桁的支撑,变形普遍偏小,仅有不到1 mm的变形。其他3处位置都有接近3～4 mm的变形,尤其是C点的变形值最大。考虑此处没有艉封板内部纵向结构的支撑,使艉封板此处的刚度相对其他3个位置而言较小。4种不同的加强结构下,眼板、纵桁、艉封板和肘板加强相连接处的A点变形差异是最小的。考虑此处连接的结构较多,仅更换加强结构对此处的变形改善效果不明显。由图5(c)可知,方案1、方案2和方案4这3种加强结构形式对加强结构与艉封板连接的角隅处影响不是很大,但方案3却提高了此处的刚度,降低了变形。方案3增加了加强结构与艉封板焊接边的尺寸,提供了更有益的效果,但从B点和D点的变形比较来看,方案3的加强结构的刚度不如其他3种方案。

4 结论

(1)通过不同连接热点应力对比,发现车辆通行时,产生应力最大的位置为连接铰链眼板上角隅处及铰链眼板、加强结构和艉封板三种结构连接处,相比眼板下角隅和加强结构角隅处应力值高近20%,验证了加强结构增设位置普遍与铰链眼板圆心等高的设计理念。

(2)通过对比4种加强结构不同方案,发现方案2和方案4相比方案1和方案3连接热点的强度都是最低的,且方案4的最大变形值相比其他3种方案近4倍。加强结构的设计初衷为支撑其他结构的强度和刚度,可见同等质量而不同结构形式的加强结构对强度的支撑也有很大差异,因此在实际设计应选择合理的加强结构。

(3)方案1下的连接热点应力值基本都是最低的,强度提升效果相比其他方案都提高了10%左右。虽然该方案加强结构自身应力值相对其他方案高出50%左右,但加强结构本身为强度支撑结构,应力水平较连接结构偏低,且不易遭受破坏,因此将方案1视为最佳方案。