船舶行车梁强度校核与分析

蒋 萍

（舟山中远海运重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

行车梁在船舶设备转运中承担着重要作用，其强度对保障船舶安全性非常重要。本文基于ANSYS Workbench对154 000载重吨穿梭油轮的行车梁进行强度分析，校核设计方案的安全性，以期为船舶行车梁的设计和校核提供一定参考。

1 校核方法

在本例中，行车梁设计为超静定梁，传统手工强度计算方法不仅复杂繁琐，还无法同时计算结构对变载荷及动态载荷的响应。ANSYS Workbench软件作为一款成熟的有限元分析软件，操作简便，计算结果精确，计算效率高。因此，本文采用ANSYS Workbench进行行车梁强度分析，建立相应有限元模型，并探讨边界加载和接触处理的方法。

通过ANSYS Workbench的有限元瞬态动力学模块可计算结构对动态载荷的响应，仿真计算不仅可考虑大屈曲变形、接触和材料非线性，还可分析载荷和接触突变状态。瞬态动力学方程和动力学基本方程是一致的，均为2阶非齐次微分方程，求解方法包括模态叠加法和直接积分法。使用有限元瞬态动力学模块对行车吊梁模型进行强度分析，验证工字钢规格选取的合理性，对设计工作和安全性能的评定起到良好的支撑作用。

2 有限元分析

行车梁示意图见图1，其吊钩工作行程约9.1 m，配套2个安全工作载荷为10 t的手拉行车，行车梁选用I56b型工字钢，行车梁上部通过肘板与船体结构焊接，行车梁下端面焊接齿条供行车走动，行车轮直径为200 mm，两轮间距340 mm。

图1 行车梁示意图（单位：mm）

2.1 有限元模型简化

行车梁的截面图见图2。行车梁在不同位置设置若干支撑点，并通过十字型肘板与船体结构焊接在一起。肘板采用普通钢板，厚度为20 mm。工字钢上、下面板的等效厚度均为21 mm，中间腹板厚度为15 mm。在对行车梁建模时，采用如下简化方案：将行车简化为轮毂，忽略工字钢的圆角特征及其余部件，使用等效尺寸建模。

图2 行车梁截面图（单位：mm）

1）方案一：采用三维实体单元进行分析，网格为四面体网格，尺寸设为20 mm，采用自动划分网格方法进行网格划分，网格数量为9万个，节点数量为17.9万个，网格平均质量为0.73。

2）方案二：使用壳单元模拟工字梁，在Design Modeler中通过抽中面的方式得到需要的壳体模型。轮毂直径为200 mm，主要受到垂向力作用；工字梁的面板厚度为21 mm，同时受到弯矩和垂向力的作用。因此，推测工字梁部分变形较大。为保证移动载荷主要作用在工字梁上，通过1 mm厚的薄面体对轮毂进行模拟。网格为六面体网格，尺寸设为20 mm，网格数量为14 971个，节点数量为15 404个，网格平均质量为0.94。

对比方案一和方案二可知，方案二网格数量较少，但网格质量要高很多，且方案二的计算时间短，计算资源消耗少。因此，本文选择方案二进行建模分析。行车梁网格划分情况见图3。

图3 行车梁网格划分情况

2.2 瞬态结果分析

使用共节点的方式连接工字钢和肘板壳单元，将行车简化为薄面体，将安全工作载荷分布于每个薄面体上，薄面体和梁面板之间采用摩擦接触，由于该摩擦为滚动摩擦，故摩擦系数设为0.1。将初始时间步长、最小时间步长和最大时间步长分别设置为0.01 s、0.01 s和0.1 s。

行车梁强度分析主要设置以下3种工况：

1）工况1。一辆行车静止于梁的一端，另一辆行车从梁的另一端移动。

2）工况2。两行车分别从梁的两端同时向中间移动。

3）工况3。两行车均从梁的一端移动至另一端。

工况1计算结果、应力云图和应变云图分别见表1、图4和图5。最大等效应力为20.8 MPa，安全系数大于 10，各时间步支座反力的差异控制在1.22%之内，可认为反力不随时间变化。由应力值和变形量可知，方案1中行车梁是安全的。

表1 工况1计算结果（瞬态）

图4 工况1应力云图

图5 工况1应变云图

工况2计算结果见表2，最大等效应力为7.54 MPa，各时间步支座反力的差异控制在1.4%之内。

表2 工况2计算结果（瞬态）

工况3计算结果、应力云图和应变云图分别见表3、图6和图7。最大等效应力为24.3 MPa，高出工况1 3.5 MPa，这是由于受到惯性力所致。各时间步支座反力的差异控制在1.15%之内。工况3的应力、应变值呈“大→小→大”变化趋势，当行车在梁中间时应力和应变达到最小值。

表3 工况3计算结果（瞬态）

图6 工况3应力云图

图7 工况3应变云图

2.3 静态结果分析

使用静态模块计算应力和应变情况，共设计 2种工况：

1）工况4。2辆行车分别布置在梁的两端。

2）工况5。2辆行车同时布置在梁的同一端。

2种工况的计算结果、应力云图和应变云图分别见表4、图8和图9。工况5的最大等效应力高于工况 4。应力最大值出现于工字梁中间腹板和地板交界处，安全系数为2.1，满足强度要求。

表4 计算结果（静态）

图8 应力云图（静态）

图9 应变云图（静态）

续图9 应变云图（静态）

3 结论

行车梁的强度对保障船舶的安全性非常重要。本文对154 000载重吨穿梭油轮的行车梁进行强度分析，先通过瞬态分析得出最大应力出现时行车所在位置，再通过静态分析结构强度，可节省计算资源，确保强度校核的准确性，保证了行车梁的安全性。