张健，等： 趸船引桥结构强度有限元计算及结构改进方案研究 ・２３・ 趸船引桥结构强度有限元计算及结构改进方案研究 张健 ，张彬。，张淼溶 ，尹群 （１．江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江２１２００３；２．中国船舶科学研究中心， 江苏无锡２１４０８２；３．扬州市地方海事局江苏扬州２２５００９） 提 要 以某趸船引桥结构为研究对象，在两种载荷状态下对引桥结构强度进行有限元直接计算，在此基 础上，就引桥连接方式以及车辆行进方式做了两组对比研究并得到相关结论。最后，就结构强度计算中发现的 问题提出结构改进方案并进行效果验证，希望可以为此类结构的设计和使用提供参考。 关键词 趸船引桥强度有限元法 中图分类号Ｕ４４１ 文献标识码Ａ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ Ｐｒｏｊ ｅｃｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ａ Ｂａｒｇｅ＇ｓ Ａｐｐｒｏａｃｈ Ｂｒｉｄｇｅ ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ ， ＺＨＡＮＧ Ｂｉｎ。，ＺＨＡＮＧ Ｍｉａｏ—ｒｏｎｇ ， ＹＩＮ Ｑｕｎ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｎａｖｙ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｚｈｅｎｉｉａｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１２００３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ Ｓｈｉｐ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｗｕｘｉ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１４０８２，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｂｕｒｅａｕ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２５００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ａ ｂａｒｇｅ’Ｓ ａｐｐｒｏａｃｈ ｂｒｉｄｇｅ ａｔ ｔＷＯ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＦＥＭ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ，ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｗｏ ｇｒｏｕｐｓ ｏｎ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ａｎｄ ｗａｙ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｉｓ ｄｏｎｅ，ａｎｄ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｒｅ ｇｏｔ．Ｆｉｎａｌ— ｌｙ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ｓｔｒｅｓｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｂａｒｇｅ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｂｒｉｄｇｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ 引言 求，并没有直接涉及对弓 桥结构进行有限元计算及 检验的规定。因此，对引 桥结构进行研究具有较强 作为浮码头的重要组成部分，趸船及引桥是船 的工程意义和实用价值。 舶装卸作业中不可或缺的设备，而引桥结构处于船 尾，外界环境极不稳定，在此区域可能会由于接头脱 ２引桥结构应力计算 钩、受载不均、强度不够而发生运输车辆翻倒及跌落 ２．１主尺度及结构形式 事故［１］。并且，在中国船级社《国内航行海船建造规 该趸船引桥结构按照《规范》进行设计。引桥总 范（２００６）》Ｌ２ （以下简称《规范》）中，只有关于车辆甲 长为２３ｍ，型宽为１０ｍ，主体部分车辆甲板相对背板 板的规范设计以及针对车辆跳板强度校核的相关要 在垂向高０．８ｍ。引桥板架结构采用纵骨架式，肋距 为２ｍ。主要构件尺寸如板厚、型材大小列表见 基金项目：江苏省船舶先进设计制造技术重点实验室资助项目 表１。 （ＣＪＯ８Ｏ４）。 ２．２有限元模型 作者简介：张健（１９７７一），男，副教授。 利用大型通用软件ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ［ 进行引桥 ・ ２４・ 结构强度有限元直接计算，选取整个结构进行建模， 表１主要构件尺寸 构件名称 构件尺寸 构件名称 构件尺寸 （ｍｍ） （ｍｍ） 车辆甲板 １Ｏ 甲板纵骨 Ｌ１４０×９Ｏ×１２ 人行道甲板 ８ 背板纵骨 Ｌ７５×５Ｏ×８ 背板 ８ 支架水平板 ３Ｏ 横壁板 １０ 支架垂直板 ８ 纵壁板 １０ 圆弧板 １６ 车辆甲板纵桁 ｔ一１２×１２０ 上弦杆 中２１９×１８ 车辆甲板横梁 ．１０Ｘ ２２０ 端斜杆 ２１９×１Ｏ —１２×１２０ 背板纵桁 ．８×１５０ 腹杆 Ｉ４０×１２ 一＿１０×１Ｏ０ 背板横梁 － －Ｌ１０×ｉ００ 横联 ８９×６ 模型节点数为６５ ９３７，模型质量为６．５５９×１０ ｋｇ， 其中板材及大的桁材采用板单元，骨材及圆钢采用 梁单元。有限元模型及边界约束如图１。 图１ 引桥整体有限元模型及边界约束 ２．３边界条件 根据引桥、趸船及码头的实际连接方式及受力 特点，在模型背板距离两端２００ｍｍ处所有节点上， 施加纵向、横向、垂向线位移约束，即 一 一乱 一０；并施加绕ｚ、 轴的角位移约束，即Ｏｘ： 一０。 ２．４载荷施加 引桥作为运输车辆上下趸船的唯一通道，需要 施加的载荷包括车辆载荷以及结构自重。车辆载荷 即两辆５５０ｋＮ载重汽车的重量，汽车轮位见图２，各 轴载荷值分别取为： 第１轴：Ｐ一３０ｋＮ， 第２～３轴：Ｐ一１２０ｋＮ， 造船技术 ２０１２年第１期（总第３０５期） ／／ 载熏筐：５５０ｋＮ 。。。 。。。 图２汽车轮位图 第４～５轴：ｐ－－１４０ｋＮ。 汽车轮压按面压力方式施加在相应位置上，实 际计算时按车辆负荷的１．１倍施加，不考虑偏心加 载。车辆与引桥的相对位置考虑两种情况，作为强 度计算的两种工况，工况一：载重汽车均整车位于钢 引桥上，轮位图及载荷如图３所示；工况二：载重汽 车的后四轴位于钢引桥上，轮位图及载荷如图４ 所示。 幸三矗匪薛ｊＸ ＝－＝－：！ ＝＝鍪蓄 三丰葺 一 陛簪一－： 辜辜兰鼯辜薹 垂舞 妻 舞 一士 ～圭 ｉ至一＝二一 ｌ二一翥 蒋一Ｂ图４工况二的轮位示意图 ２．５计算结果 对引桥整体结构分别就以上两种工况进行有限 元计算，得到该结构各个部位处的应力值，计算结果 见图５、图６。由于《规范》中没有关于趸船引桥许用 应力的要求，故借助于《规范》中关于车辆跳板强度 校核的要求，即取各构件的许用应力［ ］一ｌ４１Ｎ／ ｍｍ ，现分别将两种工况下各构件实际应力列于表 ２中，以便与许用应力进行比对。 一土 一墨Ｂ羹Ｉ二．一 张健，等： 趸船引桥结构强度有限元计算及结构改进方案研究 ・ ２５ ・ 图５工况一时引桥整体应力云图 ３ ４｛ ５ ｅ●５ Ｏ＾ｇ ０ ８： ∞忡∞∞∞ ∞ｌ篁∞∞肿∞∞∞∞ 懈 呲 三兰御肼啪㈨ 曩灏描 蔼翅● 图６工况二时引桥整体应力云图 表２各构件最大计算应力 工况一 工况二 构件名称 最大计算应力 最大计算应力 （Ｎ／ｒａｍ ） （Ｎ／ｒａｍ ） 车辆甲板 １４３ １４３ 人行道甲板 ４７．７ ４１．４ 背板 ７１．１ ６３．６ 横壁板 ７７．４ ７０ 纵壁板 １０５ １０３ 车辆甲板纵桁 １２４ １２２ 车辆甲板横梁 ６４．４ ８３．２ 背板纵桁 ２５．５ ２２．９ 背板横梁 ３０．７ ３１．１ 甲板纵骨 １３６ １３４ 背板纵骨 ２９．８ ２７ 圆弧板 １４３ ｌ１９ 上弦杆 ８３ ６９ 端斜杆 ６６ ５４．７ 腹杆 ６６．９ ５３．８ 横联 ８３ ６９ 从图５、图６及表２的计算结果可以看出：其一， 工况一各构件的应力值均较工况二大，说明载重汽 车均位于引桥中部是引桥结构受力较大的工况；除 载荷直接作用处构件受力较大外，这些构件的支撑 构件也承受较大载荷，此外端圆弧板处由于应力集 中以及结构位置等原因也承受较大载荷；最后，背板 板架上的各构件承受的最大应力远小于许用应力。 因此，该引桥各部分结构尺寸有进一步优化的潜力。 ３对比研究 就引桥结构的连接方式以及其上车辆行进方式 的不同，做两组对比研究。目的是，通过改变引桥的 连接方式以及车辆的行进方式，计算出该状态下引 桥的应力状况，并与原来的连接方式以及行进方式 进行对比，寻找引桥的较理想应力状况下的连接方 式以及车辆行进方式。 ３．１针对引桥连接方式的对比 考虑改变引桥的连接方式，取工况一为对比工 况，改变工况一的引桥连接方式，即将引桥两端边界 约束范围缩小，定义该工况为工况三。工况三时引 ㈣㈣ 桥结构各个部位处的应力计算结果见图７。 图７工况三弓ｌ桥整体应力云图 通过与图５进行对比可以发现，将引桥两端边 界约束范围缩小，引桥整体结构的应力较情况一有 较大幅度的增加，并且构件最大计算应力值大于允 许值。从工况一与工况三的比较可以看出，在设计 引桥结构时可以考虑将结构两端相对于中间做得宽 大些，增大交界处的连接长度，有利于降低引桥端部 的局部载荷，进而提高引桥强度。 ３．２针对车辆行进方式的对比 考虑改变车辆的行进方式，取工况二为对比工 况，改变工况二的车辆行进方式，即将两侧载荷向引 桥外侧平移６００ｒａｍ，定义该工况为工况四。工况四 时引桥结构各个部位处的应力计算结果见图８。 通过与图６进行对比可以发现，将两侧载荷向 引桥外侧平移６００ｍｍ，引桥整体结构的应力有较大 幅度的增加，最大值达到１６０ Ｎ／ｒａｍ ，已经完全超 过允许值。一方面，工况四相对于工况二增大了结 构的横向载荷；另一方面，工况四相对于工况二，外 载荷作用处局部骨架剖面模数的减小使局部结构应 力增大Ｌ４］。可以得出这样的结论，应该尽量保证载 荷作用处有纵向强力构件的支持，在都有支持的情 况下，还应考虑局部骨架剖面模数。 图８工况四引桥整体应力云图 ４结构改进 根据工况一与工况二应力分析结果可以发现， 工况一是一种受力较不理想的工况。基于上述原 因，选取工况一作为结构改进的基础。将该工况下 各构件的最大计算应力与许用应力做比较，得到两 类需要改进的构件。第一类，它们的最大计算应力 超出许用应力或与许用应力相差甚微，使结构存在 不安全隐患，如车辆甲板、车辆甲板纵桁、甲板纵骨 以及圆弧板。第二类，它们的最大计算应力远远小 于许用应力，造成一定程度的材料浪费，如人行道甲 板、车辆甲板横梁、背板纵桁、背板横梁、背板纵骨以 及腹杆。将具体改进措施列于表３中。 表３需改进构件具体改进措施 构件名称 原尺寸 改进尺寸（ｍｍ） （ｍｍ） 或措施 车辆甲板 １０ １１ 车辆甲板纵桁 ．１Ｏ×２８０ ．１０×３００ —１２Ｘ１２０ —１３×１２０ 甲板纵骨 Ｌ１４０×９０×１２ Ｌ１６０×１００×１２ 将与端斜杆连接之圆弧 圆弧板 １６ 板各边用相同厚度板与 支架连接，使之封闭 人行道甲板 ８ ６ 车辆甲板横梁 Ｉ Ｑ ．１０×２２０ 一１２×１２０ －Ｌ．１０×１２０ 背板纵桁 ．８×１５０ ｊ－ —１Ｏ×１００ 背板横梁 一１Ｏ×１００Ｉ 上 背板纵骨 Ｌ７５×５Ｏ×８ 去除该构件 腹杆 垂１４０×１２ １４０×１０ 对引桥部分结构尺寸进行改变后带来如下两种 效果，改进后的结构总质量较改进前结构质量减少 了８５０ｋｇ，在一定程度上节约了材料，降低了成本； 改进后的两类构件均呈现出较理想的应力状态，各 构件受力更加均匀，引桥强度进一步提高。应力结 造船技术 ２０１２年第１期（总第３０５期） 果见图９，构件尺寸变化前后最大计算应力列于表 ４中。 图９改进后工况一引桥整体应力云图 表４需改进构件前后最大计算应力 构件名称 改进前最大计算应力 改进后最大计算应力 （Ｎ／ｒａｍ ） （Ｎ／ｒａｍ。） 车辆甲板 １４３ １１８ 车辆甲板纵桁 １２４ １Ｏ３ 甲板纵骨 １３６ １１３ 圆弧板 １４３ １２４ 人行道甲板 ４７．７ ５２．６ 车辆甲板横梁 ６４．４ ５７．７ 背板纵桁 ２５．５ ３２．８ 背板横梁 ３Ｏ．７ ４０．６ 腹杆 ６６．９ ７１．１ ５ 结论 通过对趸船引桥在两种载荷状态下进行有限元 直接计算，并以上述两种工况为对比工况，就引桥连 接方式以及车辆行进方式做了两组对比研究，以及 就结构强度计算中发现的问题提出结构改进方案并 进行效果验证，可以得出如下结论。 （１）在引桥连接方式方面，增大交界处的连接长 度，有利于降低引桥端部的局部载荷，进而提高引桥 强度。 （２）在车辆行进方式方面，应该尽量保证载荷作 用处有纵向强力构件的支持，在都有支持的情况下， 还应考虑局部骨架剖面模数。 （３）对引桥部分结构尺寸进行改变后，一方面， 减少了结构总质量，节约了材料，降低了成本；另一 方面，各构件受力更加均匀，引桥强度进一步提高。 参考文献 ［１］赵尚辉．车／客渡船跳板的设计安装．船舶［Ｊ］，２００１， （２）． ［２］中国船级社．国内航行海船建造规范［ｓ］．北京：人民交 通出版社，２００６． ［３］王杰德，杨永谦．船体强度与结构设计［Ｍ］．国防工业 出版社，１９９５．