60 m全回转车客渡船桥脚的有限元强度分析

张 云，谭慧娟，陈继康

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；2.中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214400)



60 m全回转车客渡船桥脚的有限元强度分析

张 云1，谭慧娟1，陈继康2

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；2.中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214400)

以某60 m全回转车客渡船为研究对象，以《钢质内河船舶建造规范》(2016)为设计依据，用有限元方法对该渡船桥脚结构进行校核。计算结果表明，桥脚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桥脚处的结构设计、优化、强度加强提供参考。

全回转推进；车客渡船；桥脚；结构强度；有限元法

0 引言

60 m全回转车客渡船船型为对称、双头、单体、单甲板、中机型、舯桥楼式。该船艏艉两端均配置全回转推进设备，可靠泊码头，航行时船舶无需掉头，汽车上下船舶无需倒车，提高了营运效率。甲板右舷为主桥脚，桥脚总高5.2 m,分为上下2层。左舷为付桥脚。主付桥脚外舷分别内倾100 mm，主桥脚宽1.6 m,付桥脚宽0.45 m。老一代渡船主要以直接计算求得板材的选用规格，对于整个桥脚的受力分析存在不足。本文研究的60 m全回转车客渡船采用对上层建筑的结构模型进行有限元强度分析的方法，该方法对同类型船舶的桥脚处受力分析、结构强度加强提供校核参考。

1 传统桥脚的设计与计算

1.1 船体说明

1.1.1 船舶主要参数

总长(型长)L

60.000 m

型宽B

15.400 m

型深D

3.500 m

设计吃水d(A/B级)

2.350 m/2.600 m

航区

A/B级

肋距

0.6 m

1.1.2 船体结构

船底中部采用横骨架式，艏、艉船底部分采用纵骨架式，主机舱区每档设置实肋板，其他舱每3档设实肋板，中间设2道底肋骨。主甲板结构采用纵骨架式，距中1.6 m及距中6.1 m处，共设4道纵向桁架结构。

1.2 桥脚结构计算

按照《钢质内河船舶建造规范》(2016)[1](以下简称“规范”)规定，实取：桥脚侧板、端壁围板厚t=5 mm (侧壁下部为6 mm)。

(1)桥脚甲板横梁的剖面模数W按规范第2.8.1.1条计算，其公式如下：

W=5cshl2

式中：c为系数，c=1；s为横梁间距，s=0.6 m；h为甲板计算水柱高度，h=0.45 m；l为横梁跨距，l=2 m。

经计算，甲板横梁的剖面模数W=5.4 cm3。

实取桥脚甲板横梁L75 mm×50 mm×6 mm，其剖面模数W=30 cm3。

(2)主桥脚围壁强扶强材的剖面模数W1按规范第2.16.4.2条计算，其公式如下：

式中：s1为扶强材间距，s1=1.2 m；l1为扶强材跨距，l1=2.6 m。

经计算，主桥脚围壁强扶强材的剖面模数W1=29.2 cm3。

(3)付桥脚围壁强扶强材的剖面模数W2按规范第2.16.4.2条 计算，其公式如下：

式中：s2为扶强材间距，s2=1.2 m；l2为扶强材跨距，l2=5.2 m。

经计算，付桥脚围壁强扶强材的剖面模数W2=116.8 cm3。

(4)主付桥脚围壁普通扶强材的剖面模数W3按规范第2.16.4.2 条计算，其公式如下：

式中：s3为扶强材间距，s3=0.6 m；l3为扶强材跨距，l3=2.6 m。

经计算，主付桥脚围壁普通扶强材剖面模数W3=14.6 cm3。

实取主桥脚普通扶强材L75 mm×50 mm×6 mm(双拼)，其剖面模数W3=58.9 cm3。

实取付桥脚普通扶强材L75 mm×50 mm×6 mm，其剖面模数W3=30 cm3。

2 有限元模型

2.1 结构模型

本文在建立模型时采用平面四边形板单元(shell)(局部过渡区域采用三角形板单元)描述船体板、上层建筑、桥脚侧板及壁板、强横梁、纵桁，船底实肋板、舱壁垂直桁等强框架的腹板，用一维梁单元(beam)描述纵骨、横梁、强框架面板等构件，通过板梁单元组合的力学模型描述整船的结构。计算时，一般在建立整船模型时，忽略小肘板、甲板、平台和舱壁上的小开口等[2]。有限元模型的坐标系为直角坐标系，X轴由艉部指向艏部为正，Y轴由右舷指向左舷为正，Z轴垂直向上为正。本船有限元模型坐标原点建立甲板面尾端与中纵剖面相交处。有限元模型的长度单位为m，力的单位为N。全船结构有限元模型如图1所示。

图1 全船结构有限元模型

2.2 边界条件

由于船舶结构具有较为复杂的空间结构，有限元模型中的节点数、单元数量庞大，载荷计算的累积误差难以寻求完全平衡的外载荷力系，所以施加合理的边界条件十分重要[3]。

由于船舶结构处于“全自由”状态，因此在进行有限元静力分析时，采用惯性释放，去掉支座，消除约束点的反力对变形和应力状态的影响，并且使得断面剪力可以施加到计算模型中。惯性释放的运用，对于船舶结构强度的有限元直接计算具有很强的实际意义。

2.3 计算载荷

根据设计的装载布置图中A/B级航区航行、453 t/670 t车载和旅客状态下的重量分布、静水力数据、稳性计算书，考虑全船受舷外水压力、压载水载荷、燃油压载及车辆载荷，车辆载荷以轮压的形式施加。压载水、燃油压载根据稳性计算书中满载工况(出港、到港)和空载到港下的压载高度计算载荷。计算中还考虑了上层建筑结构风载的影响，模型范围内的风载按基本风压采用面压力的形式施加。各种压载以面压力载荷的形式施加于相应的舱室结构、甲板和外板有限元单元上。

2.3.1 车辆载荷

按照规范第2.2.4.2条相关要求，本文分为6种工况，分别为：航行满载出港；航行满载到港；航行空载出港；码头载货区域尾1/4 区域内，装载1/4 总载货量工况；码头载货区域尾2/3 区域内，装载2/3 总载货量工况；码头载货舱区域尾向首3/4区域内，装载3/4总载货量。

车辆载荷按轴重均匀分布：6轴、100 t重车(计算中取前后10 t、后轴18 t×5)；2轴、20 t重车(计算中取前后5 t、后轴15 t)；2轴、30 t重车(计算中取前后7.5 t、后轴22.5 t)；2轴、15 t卡车(计算中取前后3.75 t、后轴11.25 t)；2轴、2 t卡车(计算中取前后0.5 t、后轴1.5 t)。

2.3.2 舷外水压力

舷外水压力根据规范第14.3.4条中的舷外水压力公式，计算各种工况下船舶处于平衡状态时的设计波。建模时，将等效余弦波按压力分布施加到模型的湿表面各单元上。波高he按下式计算。

he=αW(29 593-120.89L+0.223 2L2)×10-4

式中：αW为航区修正系数，A级航区取1.0，B级航区取0.6。

经计算，A级：he=2.314 m；B级：he=1.39 m。

2.3.3 淡水和燃油压载

A级(与B级相同)中满载出港、满载到港和空载到港的重量中心表分别见表1和表2。

3 结果分析

本文全船采用普通钢，其材料屈服强度为235 MPa,许用正应力为179 MPa，剪切应力为91 MPa。综合结果，得知2种航区下的桥脚侧板、端壁围板的Von Mises应力最大值为169.0 MPa，最大剪切应力值为80.6 MPa；桥脚内强框架、水平桁的Von Mises应力最大值为83.8 MPa，最大剪切应力值为43.2 MPa，桥脚应力大小值均满足规范许用值要求，最大应力值均满足规范许用值要求。图2～图5为A级航区状态下的桥脚侧板、端壁围板及强框架、水平桁的Von Mises最大应力值和最大剪切值；图6～图9为B级航区状态下的桥脚侧板、端壁围板及强框架、水平桁的Von Mises最大应力值和最大剪切值。

表1 满载出港重量重心表

表2 满载到港和空载到港重量重心表

图2 A级航区主桥、付桥壁板及舷墙板最大有限元相当应力

图3 A级航区主桥、付桥壁板及舷墙板最大有限元剪切应力

图4 A级航区主桥及付桥强框架、水平桁最大有限元相当应力

图5 A级航区主桥及付桥强框架、水平桁最大有限元剪切应力

图6 B级航区主桥、付桥壁板及舷墙板最大有限元相当应力

图7 B级航区主桥、付桥壁板及舷墙板最大有限元剪切应力

图8 B级航区主桥及付桥强框架、水平桁最大有限元相当应力

图9 B级航区主桥及付桥强框架、水平桁最大有限元剪切应力

4 结论

通过有限元强度分析，发现60 m全回转车客渡船主付桥脚侧壁在向艏艉延伸与舷墙连接的部分应力比较集中，故对艉部Fr28-150 mm～Fr35+150 mm，艏部Fr65 -150 mm～Fr72+150 mm的区域板厚加厚为10 mm,并使该过渡区域边缘设置角钢，以满足该区域的强度要求。

在满足船舶总体设计要求的情况下，根据船舶的实际使用情况，使船舶结构的形式、构件的尺寸与连接等设计更优化。通过有限元强度分析，可以对设计船舶中规范要求的特殊部位进行校核，使船舶结构性能达到最佳状态，从而最大限度地保证船舶的航行安全。

[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，2016.

[2] 吴恒林.内河集装箱船弯扭强度分析[J].中国水运，2014(31)：1-3.

[3] 张少雄,杨永谦. 船体结构强度直接计算中惯性释放的应用[J].中国舰船研究，2006(1)：58-61.

2016-10-16

张云(1983—)，女，助理工程师，从事船体结构设计工作；谭慧娟(1988—)，女，助理工程师，从事船舶结构设计工作；陈继康(1976—)，男，工程师，从事船舶与海洋建造工作。

U661.43

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