有限元法校核浮箱固冰通道总纵强度

2018-01-04徐新中王玉利徐竟夫

中国水运 2017年12期

关键词：浮箱校核甲板

徐新中，王玉利，徐竟夫，尤婧

（黑龙江海事局，黑龙江哈尔滨 150078）

有限元法校核浮箱固冰通道总纵强度

徐新中，王玉利，徐竟夫，尤婧

（黑龙江海事局，黑龙江哈尔滨 150078）

近年在黑龙江水系内浮箱固冰通道建设发展很快，随着中俄两国贸易和交往发展的进一步发展，以及货运公司和旅客对安全性、舒适性、可靠性、快速性的要求，浮箱固冰通道在冬季已经代替气垫船和汽车冰道，成为被中俄两国共同认可的水上主要的安全交通设施。每年冬季，黑龙江省境内都会搭建多座浮箱固冰通道，利用率很高，然而对其结构的强度分析却鲜有研究。本文以有限元理论为依据，论述了对其总纵强度的分析过程及研究思路。

浮箱固冰通道；极寒天气；新兴事物；总纵强度校核；有限元

1 引言

黑龙江水系是黑龙江省、吉林省、内蒙古自治区三个省份与俄罗斯经济贸易运输的主要途径，与俄罗斯边境界河长达2661公里，共25个开放口岸，由于涉及国境安全等诸多原因，两国界江上未架设一座桥梁。黑龙江水系地处我国最北方，冬季年均结冰期长达半年，以水运为主的运输渠道受到自然条件限制，直接制约着三省经济贸易发展。

为促进黑龙江省与俄罗斯远东地区的经贸事业发展，延长口岸通关时间，加快客货运输，保障冬季运输安全，浮箱固冰通道项目应运而生。

浮箱固冰通道系指由浮箱连接搭建的甲板能通行车辆且固置于冰中及浅滩上的特种船舶，由多个具有舷伸甲板或连接桥甲板等过水结构的双体浮箱连接组成的结构。浮箱包括专用双体驳船以及用于搭建浮箱固冰通道的现有驳船。与我国现有的其他浮桥相比，黑龙江水系的浮箱固冰通道极为特殊：一是它搭建于流凌期，使用于冰封期，不仅承受车辆通过时的压力，还受到冰膨胀的挤压力甚至是流凌期冰排的冲击力，受力状态与常规浮桥完全不同。二是其用途多用于对俄罗斯的客货运输，出于国防安全考虑，搭建时需由两国工程师分别在两国河岸进行搭建，界河中间接拢，因此对搭建精度要求极高，对船体变形控制十分严格。三是国内尚无相关的结构强度计算校核先例，无论是力的加载方式还是校核节点的选择都是从零开始的探索。

2 浮箱固冰通道结构强度直接计算过程

由于并无具体的规范可依据，浮箱结构和散货船类似，直接计算校核采用了MCS.Patran软件并参考中国船级社《散货船结构强度直接计算分析指南》进行。结构强度校核选用了佳木斯地区的现有浮箱固冰通道（以下简称“浮箱”），以实例建立计算模型进行研究。

2.1 100吨级浮箱主尺度及性能

总长22米，设计水线长21.8米，单节桥面长24.8米，片体宽6米，车道宽9米，片体中心距17.2米，型深1.6米，设计吃水0.9米，满载排水量210吨。

2.2 计算载荷分析

2.2.1 车辆载荷

经过实地测量，研究取得了轮印尺寸资料：0.2×0.3m。浮箱上通过的车辆一般以6轴重型挂车为主，查《公路桥涵设计规范》，其中仅给出了5轴车重型挂车的数据，限载550KN，其轮印间距及前后轮的重量承载比例如下图所示：

图1 车轮分布情况

根据实际使用情况，往来过货的车辆车重一般在40吨左右，所以模拟试验所选用的车辆为40吨6轴卡车，后轮和中轮间距经测量为7米，但把后轮改为3轴，进行重量加载。根据下式进行转化：

式中：P总=40t；C为位置比例系数；A为轮印面积。

表1 实际载荷表

车辆通过浮箱时，以车轮与甲板接触的面积来传递车重力，浮箱的甲板下骨材是间隔分布的，建模时将这一重量简化为在轮印范围内是均匀分布的，并做近似处理，再利用Patran软件进行建模。加载效果如下：

图2 中、后轮压力

图3 前轮压力

2.2.2 冰载荷

由于浮箱是搭建于流冰期，使用于冰封期，因此本次对浮箱的结构强度分析不同于以往的以水做载体展开的计算。

一方面考虑到浮箱在搭建时会受到流冰冲击，另一方面在浮箱投入使用后与固态河冰仍然受温度的影响而会发生挤压、剪切。也就是要考虑流冰冲击力及冰堆静压力。

2.2.2.1 流冰压力

式中：δw——分别为冰的抗压和抗弯强度极限，MPa；——浮箱型宽，m；——为设计冰厚度，m；β——为桥墩破冰棱对水平线的倾角，°，当β＞82°时只考虑冰的挤压力；——为地区系数。

表2 黑龙江地区冰况界限划分

2.2.2.2 静冰压力

根据图5，按最大冰压与温度上升率的关系确定冰的膨胀压力。

取最大极限情况：取温度上升率为4℃/h；初始温度为-23.4℃。最大静冰压力按图查得：0.16MPa。

2.2.2.3 结冰初期流冰冲击力

图4 以单元面力施加车轮载荷

图5 最大冰压和达到最大冰压力——温度上升率关系曲钱

据统计，黑龙江省辖区内在温度持续下降，河水由液态向固态转化的流冰期，流冰冰块厚度约为20cm，大小不等，大者长度能达到8米，小的约1米，呈不规则形状。根据《公路桥涵设计规范》（JTJ021-85）流冰冲击力的计算公式

通过上面信息可计算得到浮冰冲击力：

式中：F——冲击力（KN）；V——冰块运动速度，取水流速度3.5m/s；H——冰厚度，取0.2（m）；Ω——冰块面积，取47（m2）；C——系数，取136（S*KN/m3）；K,λ——与冰的计算抗压强度极限有关的系数，本次研究中，K取4.3，相应的λ取1000；Φ——冰块撞击角度，取55°；μ——随φ角变化的系数，当φ取55°时，μ取0.16。

2.2.3 静水载荷

按水压计算公式：F=ρgh

当ρ=1t/m3，g=9.81，h=d时，有：F=9.81d KN/m2

式中：d——对应工况下的实际吃水，m。

2.3 边界条件确定

2.3.1 冰封期

冰封期浮箱的受力分析：车辆载荷、冰的支反力、冰的膨胀力。如下图：

图6 冰封期受力分析图

此时，浮箱箱底边界条件为铰支，X、Y、Z方向位移受约束，在支耳处边界条件不受限制。

2.3.2 流冰期

流冰期浮箱的受力分析：冰冲击载荷、支耳处反力、静水浮力。如下图：

图7 流冰期受力分析图

此时浮箱箱体仍然受水浮力作用，将模型受力调整为浮力等于重力，冰载荷有向上分离的作用，因此为了平衡力系，约束甲板的Z向位移，同时用等效弹簧的力学模型来模拟，如下图：

图8 弹簧力学模型简化图

将浮力转化为弹簧支反力，按下式计算

F=F=ρgV

其中：ρ——水密度，1000kg/m3；g——重力加速度，9.81N/kg；V——排水体积，由型线图计算得到；K——浮箱单侧的弹簧等效刚度。

根据胡克定律，F=Kx，可推算出ρgV=Kx

分析可知x=d（吃水），于是得K=ρgV/d

式中：S——设计水线面面积（双体总面积）；n——单侧支耳个数。

2.4 有限元计算、结果和实验值对比

本环节选用了三种不同的力学加载方式，在有限元软件中，建立车辆通过浮箱的力学模型，计算各个试验测点的响应，绘制载荷变化曲线，并和试验值进行比较。

方法一：以肋骨间距做网格纵向间距，纵骨间距做网格横向间距，以面载荷的形式加载车辆载荷。

方法二：将网格细化到200mm左右，以面载荷的形式加载车辆载荷。

方法三：将网格细化到200mm左右，以节点力的形式加载车辆载荷。

图9 车通过浮箱甲板有限元模型

将试验数据处理后，将有限元计算值与试验测量值波动频率较大的部分去除，绘制结果对比波动图：

图10 典型测点有限元计算和试验对比图

通过对比，能够确认有限元计算结果和试验值基本相同，说明运用上述三种加载方式施加载荷均正确可行。

2.5 屈服强度校核

2.5.1 校核部位

将浮箱分解为两类结构进行校核计算：

板结构：甲板板、舷侧外板、浮箱底板、舭列板、横舱壁；

骨架结构：甲板强横梁、甲板强横梁面板、甲板横梁、甲板纵桁、甲板纵桁面板、实肋板、底肋骨、底纵桁、底纵桁面板、底纵骨、强肋骨、肋骨、支柱。

2.5.2 屈服因子

对于直接计算中强度校核所用的von Mises应力，其值σvm按下式计算：

其中：λ——屈服因子，对板结构取0.75，骨架结构取0.8；σy——屈服极限取235N/mm2。

计算总结后得到下表：

表3 各结构最大许用应力表

2.6 100吨级浮箱屈服强度校核结果

计算所得的应力分布云图如图11～图17（显示应力为Von Mises应力）：

图17 实肋板应力分布

3 结论

3.1 浮箱固冰通道总纵强度分析

通过有限元计算分析表明，现有的浮箱固冰通道的总纵强度均能够满足往来过货通车需求。其中，甲板板、甲板纵桁、甲板强横梁等结构由于受车辆载荷的作用，屈服强度的余量较小，浮箱底板屈服强度余量最大。现有的浮箱固冰通道能够满足实际使用对强度的要求。

此次研究，还校核了浮箱各部分结构的屈曲强度（本文中未展开论述），两部分合并则能够继续得出设计强度要求，并对类似浮箱结构校核可以起到借鉴作用。

3.2 浮箱固冰通道前景分析

中俄界江为黑龙江，绵延2845km，其间尚未架设一座桥梁。中俄大桥在两国不断磋商协调了二十五个年头后才刚刚开始建设，尚不知建设过程中要经历多少波折。因此可以预见未来十几年内，浮箱固冰通道作为中俄两国冬季商贸往来的重要通途，仍会不断发展。为保障冬季中俄互贸经济繁荣发展，两岸往来过货商旅出行安全，配合国家“一带一路”建设、黑龙江省经济结构供给侧改革，对浮箱固冰通道的研究也需进一步细致化、明确化。对固置于冰中的浮箱结构强度校核在国内尚属首例，以上计算思路及计算方法对类似结构具有较大的参考价值。