挖掘机运输船受力部位结构强度分析
2019-08-28衣雅琳
姜 磊，陈 攀，衣雅琳
(1.交通运输部水运科学研究院，北京 100088；2.中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064；3.北京海纳川汽车部件股份有限公司，北京 102600)
随着长江经济带建设推进，沿江城镇化建设加快，作为基建重要工具的挖掘机运输需求快速增长。挖掘机运输船在沿江长距离运输方面具有经济高效的优势，尤其在公路限超治理大力推进的情况下，近年来得到持续快速发展。
1 三维有限元模型建立
挖掘机运输船主尺度如下：总长29.80 m；型宽 5.60 m；型深1.20 m；设计吃水0.52 m；肋距 0.50 m。
本船为单底、单甲板横骨架式钢质船。船宽方向设置3道纵向强构件，其中左右各1道，距中1.4 m；船底每档设置实肋板。在FR26至FR32区间主甲板承受挖掘机重量，局部板厚8 mm。按照中国船级社《钢质内河船舶建造规范》(2016)[1](以下简称《规范》)第1篇第11章相关要求，装载履带式车辆时，甲板厚度应按照要求直接计算校核。依据以上要求，本计算工况依据《规范》局部强度相关要求进行校核。
模型区间为NO.8～NO.12，模型包括整个船宽、型深范围的船体所有主要的纵向结构和横向结构，对局部的支承构件如肘板等不计入模型中，桁材、肘板的开孔忽略不计[2]。所有主要板材，如甲板、舷侧外板、船底板、横舱壁，船底纵桁、实肋板，舷侧纵桁、甲板纵桁、强横梁、主肋骨等强构件的腹板以及较大的肘板用板单元模拟。板材上的骨材，如横梁、普通肋骨、舱壁加强筋等结构，以及纵桁、强框架等强构件的面板和肘板的折边用梁单元模拟。桁架和撑杆用杆单元模拟。船体舱段模型图见图1。
图1 船体舱段模型图
2 计算工况
2.1 工况确定
按照《规范》第1篇第14章相关要求，对运输船装载22 t挖掘机工况进行船体局部强度校核，舷外水共有2个计算工况[3]，分别为静水吃水加半波高和静水吃水减半波高。本船航行于C级航区，波高0.5 m。则2个工况分别为：工况1为静水吃水加半波高，即实际吃水为0.77 m；工况2为静水吃水减半波高，即实际吃水为0.27 m。
2.2 计算载荷
计算载荷包括以下项目[4]：①自重；②挖掘机重量；③舷外水。船体重量以惯性力的形式施加。挖掘机总重220 kN，主甲板承受挖掘机履带区域面积为7.46 m2，受力区域平均压载为28 930 N/m2。
2.3 边界条件
依据《规范》要求，舱段模型在模型一端所有节点施加位移约束为μx=μy=μz=0，转角约束为θy=θz=0，在另一端面所有节点施加位移约束μy=μz=0，转角约束θy=θz=0；在一舷所有实肋板端点施加位移约束μy=μz=0，在另一舷所有实肋板端点施加位移约束μz=0；在两舷侧横舱壁与船底板交线上的节点施加位移约束μz=0。
3 强度评估
3.1 许用应力
各工况构件应力不大于表1中许用值。
表1 船体构件许用应力标准 MPa
支柱的轴向压应力[σ]应不大于《规范》中的要求：跨距l=120 cm ，截面积A=7.04 cm2，惯性半径r=1.99 cm，l/r=60.3<120，则[σ]=101.74 MPa。
3.2 计算结果
经计算，各工况主要结构的应力见表2。工况1和工况2时主甲板和船体外板相当应力见图2、图3。
表2 船体构件应力计算结果 MPa
图2 工况1主甲板和船体外板相当应力云图
图3 工况2主甲板和船体外板相当应力云图
3.3 强度校核
根据计算主甲板、船体外板、纵桁腹板、龙骨腹板、纵桁面板、龙骨面板、横舱壁、横向强框架腹板、横向强框架面板、支柱的最大应力，按照《规范》进行强度校核。
1)主甲板、船体外板、纵桁腹板、龙骨腹板的许用相当应力为165 MPa，许用剪应力为91 MPa。其中龙骨腹板承受的相当应力、剪应力最大，分别为67.30 MPa、38.20 MPa，均小于构件许用应力标准，符合《规范》要求。
2)纵桁面板、龙骨面板的梁单元合成许用应力为155 MPa，其实际承受的梁单元合成应力分别为61.40 MPa、64.90 MPa，均小于构件许用应力标准，符合《规范》要求。
3)横舱壁、横向强框架腹板的许用应力为188MPa，许用剪应力为91 MPa，其中，横向强框架腹板承受的相当应力、剪应力较大，分别为37.00 MPa、19.30 MPa，均小于构件许用应力标准，符合《规范》要求。
4)横向强框架面板的梁单元许用合成应力为175 MPa，梁单元实际承受的合成应力为61.40 MPa，小于构件许用应力标准，符合《规范》要求。
5)支柱的轴向许用压应力[σ]为101 MPa，其实际承受的压应力为11.5 MPa，小于构件许用应力标准，符合《规范》要求。
4 结束语
1)2种工况下，挖掘机运输船局部结构的应力分布：主甲板、船体外板、横舱壁、横向强框架腹板在工况2的应力最大；纵桁腹板、龙骨腹板、纵桁面板、龙骨面板、横向强框架面板、支柱在工况1的应力最大。因此，在实际运营中，应注意在不同工况时船体构件的应力情况。
2)本文采用有限元方法对29.8 m挖掘机运输船重要受力部位的局部结构强度进行校核，结果表明该挖掘机运输船局部强度满足《规范》要求，且不同工况下各构件受力变化情况不同，研究结论可为其他挖掘机运输船强度校核提供参考。
