船用工装龙门凳载荷计算

黄 昆 ,朱亚林

(广新海事重工股份有限公司,中山528437)

1 引言

在船体分段脱离胎架后，后续工作相继开展，为了使分段运转方便、规范放置、施工方便、合理利用场地，辅助工装龙门凳应运而生。

分段放置时可以选择多种辅助工装，如角钢制成的支撑凳、圆管支撑、工字钢支撑、龙门凳等 ，其中龙门凳（组合工装）其安全性能、使用性能、转运效率明显高于其它工装。

2 龙门凳的特点

龙门凳上部是工字梁，下面是圆管支撑，可合理利用场内余料库板材和管材，进行下料拼制，降低成本。工字梁翼板宽度、长度取决于墩木宽度和运转分段平板车的宽度，而支撑管的高度取决于平板车的起升高度，根据目前公司的墩木和平板车的性能参数，取工字梁翼板宽度为300 mm，龙门凳的净长为L=6 480 mm,支撑管的高度为H=1 700 mm。

3 工字梁的受力分析

工字梁作为主要受力构件，主要是承受弯曲载荷，弯曲应力计算公式为：

其中：M为不同位置受力点的最大弯距；WZ为工字梁的剖面模数。

龙门凳上工字梁可简化为简支梁，根据分段与龙门凳的接触位置，可分为如下六种方式（见图1）。

图1 分段与龙门凳接触位置的六种方式

以下就图1六种情况进行受力计算：

3.1 计算支反力

分布载荷的合力为FR=ql,并作用在梁的中点，所以A与B端的支反力为:FAy=FBy=ql/2。

3.2 建立剪力与弯矩方程

如图2所示，以截面A的形心为坐标x的原点，并在截面x处切取左段为研究对象（b）可以看出在左段梁上，分布载荷的合力为qx,并作用在该梁段的中点，根据平衡条件得：

3.3 绘制剪力与弯矩图

由式（1）可知，剪力FS为x的线性函数，且FS（0）＝-ql/2 ,FS（l）=ql/2,所以梁的剪力图如图（c）所示。

由式（2）可知，弯矩M为X的二次函数，其图像为二次抛物线。由式（2）求出x与M的一些对应值后，即可画出梁的弯矩图（d）。

由剪力与弯矩图可知：

图2 剪力与弯矩图

根据以上计算方法，可求得六种形式的最大弯矩，见表1。

表1 六种形式的最大弯矩

4 工字梁的剖面模数

工字梁的剖面模数，按下式计算：

其中：IZ=IZ0+Aa2（1），即截面对于任一坐标轴z的惯性矩，等于对其平行形心轴z0的惯性矩加上截面面积与两轴间距离平方之乘积。

4.1 组合工字梁截面形心位置

4.2 组合工字梁的惯性矩

式中I1Z=t*b^3/12+b*t*(yc-t/2)^2；

4.3 组合工字梁最大弯曲正应力

该工装所选用材料为Q235,屈服应力为235 MPa,根据材料手册查得许用应力为110 MPa,即σmax≤110 MPa,即可满足要求。从最大弯矩和最大弯曲正应力公式可计算以上六种方式中所能承受的最大载荷，为表2所列。

表2 六种方式中所能承受的最大载荷

由表2可知，放置不同的位置时所承受的载荷大小是不同的，故需施工人员根据受力分布图正确的放置分段。

5 支撑管载荷计算

圆管临界应力计算，可用中、小柔度杆的临界应力问题来选取，即

式中:比值I/A仅与横截面的形状及尺寸有关,将其用i2表示,即i称为截面的惯性半径;令λ,则圆管的临界应力为。根据λ的大小，可将此类型圆管分为三类:细长杆、中长杆和粗短杆。三类杆的临界应力分别为：

1）细长杆

(2)中长杆

σcr=a-bλ2(λs≤λ≤λp, a和b为与材料有关的常数,材质为Q235 的a=310 Mpa,b=1.14 Mpa,λs=60,λp=100)

(3) 短粗杆: σcr=σs(λ≤λs)

龙门凳支撑管属于典型短粗杆,只需满足屈服强度和安全系数即可。在工程实际中,一般取安全系数为3。

6 结论

船体分段在放置过程中使用的龙门凳，必须满足安全要求，可使用船厂余料进行下料制作，利用工字钢的剖面模数和简支梁的弯矩计算公式求得不同位置的最大承受载荷。而支撑管的选取可根据欧拉公式分出属于哪种类型，计算出所需支撑管的规格。需说明的是支撑管的许用载荷，在需满足压杆稳定性要求的同时，仍受到弯曲及偏心力的影响，但一般情况下对其安全性影响很小，计算时可以忽略不计。

[1]单辉祖.材料力学.[M]北京：高等教育出版社.

[2]金属材料性能、牌号、用途实用手册.[M]北京：中国科技文化出版社.

[3]李卓球.工程力学.[M]北京：高等教育出版社.