49 m全回转车客渡船吊臂结构强度分析

李书丰,张曙光

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；2.上海海事大学 经济管理学院，上海 201306)

49 m全回转车客渡船吊臂结构强度分析

李书丰1,张曙光2

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；2.上海海事大学 经济管理学院，上海 201306)

摘要：以某49 m全回转车客渡船为研究对象，以《钢质内河船舶建造规范》(2009)为依据，利用有限元方法对该渡船吊臂及吊臂所在处船体结构进行校核。计算结果表明，吊臂结构强度符合规范要求。该结构强度分析方法为同类型船舶在吊臂及吊臂处船体结构设计、优化、强度加强提供参考。

关键词：全回转推进；车客渡船；吊臂；结构强度；有限元法

0引言

49 m全回转车客渡船是专用于镇扬汽渡码头营运的长江车客渡船。该船舶首尾两端均配置全回转推进设备，可靠泊码头，航行时船舶无需调头，汽车上下船舶无需倒车，缩短了摆渡的时间。在甲板的四角设吊臂和跳板，便于汽车的开上开下。渡船在航行时通过设于吊臂上的液压油缸，利用钢丝绳将跳板起吊后紧贴吊臂。如遇大风大浪等恶劣航行条件时会造成跳板上下跳动，从而对吊臂形成冲击，此时吊臂处于最不利载荷状态。因此,为保证渡船航行安全，吊臂必须有足够的结构强度。利用有限元对49 m全回转车客渡船吊臂结构进行分析，优化吊臂结构，同时对吊臂所在区域的主船体结构进行校核，保证船舶正常作业。

1吊臂结构说明

2许用应力衡准

(1)根据《钢质内河船舶建造规范》(2009) 中11.7.6.2规定：吊臂结构的许用相当应力为[σe]=181 MPa。

(2)吊臂下船体支撑结构许用应力根据《钢质内河船舶建造规范》(2014修改通报) 中14.7.2.5选取，应力衡准表见表1。表中：σe为板单元相当应力；σz为梁构件单元节点合成应力；τ为板或梁构件剪切应力。

图1　吊臂跳板装置示意图

图2　吊臂内侧壁结构图

3有限元校核计算

3.1有限元模型

49 m长江车客渡船艏、艉及吊臂为左右对称结构。模型范围：纵向从Fr95横舱壁到船艏；横向为整个船宽。模型甲板、强构件腹板采用二维3、4节点壳单元模拟，其他纵骨、横梁以及强构件面板等用2节点梁单元模拟。有限元模型如图3所示。

表1　应力衡准表

图3　有限元模型

本模型总节点数为4 179，单元数为6 335。

模型材料：弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85 t/m3。

3.2坐标系

本模型坐标系为：X轴指向船首为正；Y轴由原点指向左舷为正；Z轴垂直向上为正。

3.3边界条件

模型一端面(Fr95横舱壁)所有节点上施加ux=uy=uz=0、θy=θz=0约束，另一端面所有节点上施加uy=uz=0、θy=θz=0约束；一舷实肋板端部节点上施加uy=uz=0约束，另一舷实肋板端部节点上施加uz=0约束。

3.4受力分析

主跳板、付跳板及附属构件的总质量约为21 t，每边钢丝绳的拉力约为115 kN。考虑附加冲击载荷，钢丝绳拉力增加30%，以150 kN计算。吊臂作用点受力示意图如图4所示。图中：F为钢丝绳拉力，F=150 kN；Fx为X轴向分力，Fx=150 sin40°=96 kN；Fz为Z轴向分力，Fz=150 cos40°=115 kN；Tx为支座X轴向支撑力，Tx=F-Fx=54 kN；Tz为支座Z轴向支撑力，Tz=115 kN。

吊臂受力点施加力为：

<-54 kN, 0 kN, -115 kN>。

3.5计算结果

根据以上所述的计算载荷和边界条件，利用有限元分析软件MSC.Patran、MSC.Nastran得出如图5所示吊臂结构的相当应力云图，其最大应力值σe=133 MPa。

有限元分析应力结果汇总见表2。

图4　吊臂受力示意图

图5　吊臂结构相当应力图

结构分类应力种类许用值/MPa实际最大值/MPa吊臂σe181133甲板板σe15554船体外板σe15556.2甲板纵桁σz15525.4强横梁σz17545.3横舱壁板σe17510.1甲板纵骨σz16570.1肋骨σz18831.4舱壁扶强材σz18865.7板及骨材剪应力τ9117.8

通过有限元分析得出的结果可知：

(1)此吊臂的结构强度及吊臂所在的主船体结构是满足规范要求的,且此计算施加的载荷是假设整个跳板的重量都由吊臂承载。实船上的主跳板通过铰链与主船体的首(尾)封板连接，主船体对跳板也有一定支撑作用。

(2)从吊臂结构相当应力云图可以看出，吊臂最大相当应力在内侧壁向主船体过渡位置处，此处简化模型采用的是折边形式。实船上，吊臂悬伸底板圆弧过渡至主船体甲板上可减小应力集中。吊臂的上顶板和下底板及扶强材具有一定的安全裕度，从考虑减轻吊臂自身重量出发，

可将下底板板厚减小至12 mm，适当减小扶强材的规格。上顶板因承载液压油缸，保留其规格。车客渡船的甲板结构采用AH36高强度钢，吊臂也可考虑使用高强度钢。吊臂的结构规格可适当减小，这样既控制了自重，又增大了吊臂的安全裕度。

(3)吊臂内侧壁对应主甲板下的纵向骨架具有相当大的应力，因此将吊臂内壁与主甲板骨架对应是有必要的(外壁对应主船体舷侧)。在进行设计主船体结构时，为保证结构的安全应考虑将此处甲板纵骨加强，或调整主船体纵向骨架，将吊臂内侧壁与纵向强构件对应。

4保险措施

当船舶在大风大浪恶劣条件下航行时，可采取相应措施减小跳板跳动对吊臂的冲击。

方法1：用插销通过耳板将跳板与吊臂连接。这种方法需要人力去船两端不断地循环插、拔销子，对航行在长江两岸，航程约10 min的渡船来说就显得比较烦琐。

方法2：应用电磁自锁装置不定期控制跳板。当跳板收起到位时，该装置弹出销轴进入吊耳孔；需放下跳板时，通过电磁力拉动销轴使其与耳板脱离，跳板随之放下。这种方法减轻了船员的劳动强度，但日后该装置可能需要检修。另外，用插销的方法对耳板、吊臂上的孔精度要求比较高，若跳板在使用后出现变形，会导致2个孔对不上，销轴插不进去，从而失去作用。

方法3：在吊臂前端用一小型油缸驱动吊钩钩住跳板上的耳板，这方法不需要较高的配合间隙。

方法1比较麻烦，通常渡船只在恶劣天气条件下才会使用，方法2和方法3可在任何通航条件就能方便实施，且这样做不仅防止跳板上下跳动，还能避免钢丝绳脱落、耳板断裂等意外情况造成跳板下落，防止事故发生。用船单位可根据自身实际情况选择合适的方法，使跳板和吊臂连接在一起，减小恶劣天气条件下船舶航行时吊臂所受的载荷。

5 结语

(1)由有限元计算结果表明，吊臂结构在最不利载荷状态下是安全的，再通过相应保险措施可减小吊臂所受的冲击载荷，从而增大吊臂安全系数。

(2)低矮箱式吊臂跟以往的高起式吊架相比，能使跳板和吊臂贴合在一起，再用保险销进行固定，避免跳板上下跳动造成的冲击。

参考文献：

[1]中国船级社. 钢质内河船舶建造规范[M]. 北京:人民交通出版社,2009.

收稿日期：2015-03-26

作者简介：李书丰(1981—)，男，工程师，从事船舶设计工作；张曙光(1976—)，男，硕士研究生，高级工程师，从事船舶与海洋工程设计与建造工作。

中图分类号：U661.43

文献标志码：A