吳華強(qiáng)，謝松蓮，劉 賀，張松飛

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

在沿?；蚝Ｉ宪囕v轉(zhuǎn)駁的過程中車輛轉(zhuǎn)駁裝置發(fā)揮著關(guān)鍵性作用[1]。隨著國家經(jīng)濟(jì)增長，國內(nèi)外物資交換快速增加，車載重量也不斷增加，對車輛轉(zhuǎn)駁裝置的安全帶來了巨大的考驗(yàn)[2]。

因一些船用車輛轉(zhuǎn)駁裝置的強(qiáng)度和長度不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)常在轉(zhuǎn)運(yùn)車輛時(shí)發(fā)生事故。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析技術(shù)的快速發(fā)展，利用軟件對車輛轉(zhuǎn)駁裝置進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，完成實(shí)體建模后加載實(shí)際工況進(jìn)行有限元分析，對設(shè)備的應(yīng)力分布和形變情況作定性的分析，為結(jié)構(gòu)的改良與優(yōu)化提供了理論依據(jù)[3-5]。朱志宏[6]運(yùn)用影響線性法計(jì)算了汽車渡船跳板主梁的強(qiáng)度；鄭錫超等[7]采用Patran/Nastran對汽車渡船跳板進(jìn)行了強(qiáng)度分析，在強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上集成Isight/Nastran對汽車渡船跳板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)研究過程中進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算研究，不僅可以確保其使用安全性，還可以節(jié)約設(shè)計(jì)制造成本，但是目前研究車輛跳板強(qiáng)度的文獻(xiàn)較少，僅有在正常工作條件下對跳板強(qiáng)度分析，沒有考慮到特殊情況下轉(zhuǎn)運(yùn)過程中跳板需要抬起的緊急情況[8-10]。文中通過模擬真實(shí)海況下采用有限元分析手段對跳板的應(yīng)力分布及容易發(fā)生破壞的部位進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)及方案優(yōu)化[11-12]。

1 總體方案及跳板狀態(tài)分析

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，車輛轉(zhuǎn)駁裝置主要由三段式跳板、塔架、鋼索滑輪、回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、鎖緊裝置、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。

三段式跳板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是設(shè)備中最為重要的部分，其作為運(yùn)輸車輛的通道，完成轉(zhuǎn)運(yùn)車輛的任務(wù)。外形尺寸為：32.4 m×6.6 m×5.0 m（長×寬×高），總質(zhì)量82.4 t，跳板之間通過鉸鏈相連。工作時(shí)，兩船舷間距最小為30 m，外伸甲板長度14.5 m，設(shè)計(jì)要求跳板完全伸展長度為31.5 m。現(xiàn)設(shè)計(jì)的跳板實(shí)際長度達(dá)到了32 m以上，滿足工作需求。

跳板坡度，考慮到該跳板主要承載任務(wù)為轉(zhuǎn)駁車輛，需照顧到不同類型車輛，該文以拖車為設(shè)計(jì)極限，設(shè)計(jì)的坡度不應(yīng)大于1∶6，推薦使用1∶7的坡度。該文中設(shè)計(jì)坡度為11°，后續(xù)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。

現(xiàn)在設(shè)計(jì)的塔架外形尺寸為：16.0 m×12.5 m×23.2 m（長×寬×高），模型中塔架的質(zhì)量為105.8 t。如圖2所示，塔架主要功能是支撐整個(gè)跳板結(jié)構(gòu)。

圖1 總體方案三維模型

圖2 塔架模型

1.2 材料屬性及加強(qiáng)筋布局

在有限元分析中，對整個(gè)結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行定義，選用的鋼材型號為Q345D，其機(jī)械性能指標(biāo)如表1所示。

表1 材料機(jī)械性能指標(biāo)

因?yàn)樘逭w結(jié)構(gòu)長度較長，單一跳板結(jié)構(gòu)無法滿足強(qiáng)度要求。為了保證結(jié)構(gòu)的安全性，在跳板的反面設(shè)計(jì)有加強(qiáng)筋和肋板等結(jié)構(gòu)。加強(qiáng)筋使用“T”型加強(qiáng)筋，其規(guī)格如圖3所示。

圖3 T型加強(qiáng)筋

設(shè)計(jì)中選擇的各個(gè)尺寸參數(shù)為：H＝300 mm，B＝200 mm，t1＝11 mm，t2＝17 mm，r＝13 mm。

跳板鋼板厚度：所選用的甲板厚度t應(yīng)不小于式（1）算得之值

式中：A為應(yīng)力系數(shù)，按圖4根據(jù)輪胎印與板的尺寸查得；LW為輪胎印上的載荷，N。對輪距緊靠的輪子，圖4中的陰影面積可取組合在一起的輪胎印子。

現(xiàn)行設(shè)計(jì)下，跳板踏面鋼板厚度為12 mm。

圖4 應(yīng)力系數(shù)A

鋼索的選用：選用的鋼絲繩規(guī)格：GB 8918—2006，第3組，6×36WS，直徑54 mm，公稱抗拉強(qiáng)度1 870 MPa，要求安全系數(shù)為3。

1.3 跳板狀態(tài)分析

該轉(zhuǎn)駁裝置用于一定海況范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)海上兩船間的車輛轉(zhuǎn)駁。跳板設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)滿足在設(shè)定的極限海況、滿載時(shí)的強(qiáng)度要求。其設(shè)計(jì)應(yīng)按特殊工況辦理，工況信息如表2所示。

表2 工況信息

使用過程中，跳板有多種狀態(tài)，分別為：放下、轉(zhuǎn)運(yùn)、收起。在這3種狀態(tài)中，又以運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，跳板各處出現(xiàn)危險(xiǎn)截面的可能性較大。因此，在這一狀態(tài)下的分析應(yīng)相對細(xì)化、謹(jǐn)慎。

判斷危險(xiǎn)工況，針對各個(gè)工作環(huán)境，得出以下結(jié)論：

1）繩索最危險(xiǎn)工況。當(dāng)跳板載重被繩索拉起時(shí)，繩索的拉力最大，此時(shí)繩索處于最危險(xiǎn)狀態(tài)，因此，繩索的校核應(yīng)該在這里考慮。

2）各處鉸鏈最危險(xiǎn)工況。綜合分析整理應(yīng)校核的工況及重點(diǎn)檢驗(yàn)位置見表3，圖5為各危險(xiǎn)截面/部件在跳板上的位置。

危險(xiǎn)截面/部件表見表3。危險(xiǎn)截面示意圖如圖5所示。

表3 危險(xiǎn)截面/部件表

圖5 危險(xiǎn)截面示意圖

2 危險(xiǎn)工作狀態(tài)下有限元分析

跳板在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證在2船間正常運(yùn)輸時(shí)的安全性，同時(shí)，在特殊情況下：整個(gè)跳板被抬起一定角度，第3段與相接觸平臺脫離接觸，在此情況下要滿足所運(yùn)載的最大重量作用在第2段前端的極限工況下的安全性。

2.1 載重在第2段上，跳板未抬起

車輛在跳板第2段上時(shí)，此時(shí)繩索處于非工作狀態(tài)，整個(gè)跳板機(jī)構(gòu)依靠鉸鏈和限位裝置保持穩(wěn)定，而這一工況下，第2段和第3段之間的鉸鏈連接及限位處于受力最大時(shí)刻，重點(diǎn)檢驗(yàn)這一段鉸鏈及限位的安全性。

車輛動載荷：車輛在跳板上運(yùn)動時(shí)，自身的牽引力對該處鉸鏈及限位產(chǎn)生影響，應(yīng)加入到計(jì)算中，車輛牽引力為：

式中：P為功率，W；V為速度，m/s。估算得到動載荷F為40 000 N。所加載荷見表4。

表4 所加載荷

2.1.1 有限元分析

支撐設(shè)置：設(shè)置支撐時(shí)，按實(shí)際工作中第3段同前平臺接觸、第1段通過鉸鏈連接在塔架平臺上進(jìn)行布置。

載荷布置：添加載荷時(shí)，應(yīng)考慮載荷的作用方向和作用面積，其中車輛自重載荷方向?yàn)樨Q直向下，車輛動載荷方向?yàn)槠叫杏谲囕v前進(jìn)方向（在有限元中，載荷方向設(shè)置為X、Y、Z3個(gè)方向，由于車輛前進(jìn)方向與Y軸存在一個(gè)夾角，為了保證分析的精確性，可以將這一力按沿Y軸和Z軸分解，分別加載即可）。

2.1.2 有限元分析結(jié)果

由圖5可以看出，應(yīng)力集中容易第3段與第2段接觸、第2段與第1段接觸的下邊緣部位，因此，應(yīng)當(dāng)注意這些區(qū)域因?yàn)閼?yīng)力集中而導(dǎo)致的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度不足的情況。應(yīng)力集中圖見圖6。有限元分析結(jié)果見表5。

圖6 應(yīng)力集中圖

表5 有限元分析結(jié)果

由有限元分析可知，最大應(yīng)力值為178.07 MPa，沒有超過選用的Q345鋼的屈服強(qiáng)度，但由于存在安全系數(shù)小于5的區(qū)域，所以應(yīng)考慮對安全系數(shù)小于5的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的加強(qiáng)。

2.2 車輛在第2段上，跳板抬起

考慮到3段式跳板在工作中可能遇到的緊急情況，需要跳板能夠做到在載重時(shí)抬起一定角度，以便能夠及時(shí)和目標(biāo)船舶脫離接觸。

跳板抬起一定高度時(shí)，跳板上第1段與基座相連的鉸鏈部分、繩索以及第2段、第1段的鉸鏈部位承受較大的力，因此需要檢驗(yàn)其安全性。

為了簡化有限元分析，同時(shí)保證簡化后的準(zhǔn)確性，先做鋼索的拉力分析，求出了跳板在載重時(shí)繩索拉力的變化，以及拉力的最大值，將拉力的最大值作為有限元分析依據(jù)，可保證分析的合理性。

2.2.1 繩索仿真分析

在做仿真時(shí)，考慮到各種設(shè)置的方便性，對繩索所受拉力影響不大的部件做了簡化或去除（如遮蓋2段跳板間縫隙的蓋板、液壓裝置等）。同時(shí)，在忽略繩索和滑輪間摩擦力的情況下，只需要做一對滑輪模型。仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。鉚接點(diǎn)拉力見表6。

由繩索仿真分析得到繩索收到X、Y、Z軸3個(gè)方向的力，將三力合成，可以得到繩索的總拉力

FT＝1.193 461×106N。

圖7 A鉚接點(diǎn)拉力

圖8 B鉚接點(diǎn)拉力

表6 鉚接點(diǎn)拉力

選用的鋼絲繩規(guī)格：GB 8918—2006，第3組，6×36WS，直徑54 mm，公稱抗拉強(qiáng)度1 870 MPa，要求安全系數(shù)為3。

繩索所受的應(yīng)力為

式中：d為鋼絲繩直徑，m；FT繩索的總拉力，N；經(jīng)計(jì)算，σ＝521.112 MPa。

計(jì)算得到的允許拉應(yīng)力為

式中：σ為鋼絲繩許用應(yīng)力，MPa；a為建議的安全系數(shù)，取3。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)a＝623.3 MPa＞521.112 MPa。

結(jié)果表明：鋼索的選用能夠滿足承載的需要。

2.2.2 跳板抬起時(shí)有限元仿真分析

1）有限元仿真結(jié)果分析

應(yīng)力集中區(qū)域圖見圖9。有限元分析結(jié)果見表7。

由表7數(shù)據(jù)可以看出，在此工況，跳板第1段前伸部分的最大應(yīng)力為495.6 MPa，超過所選用材料的屈服強(qiáng)度（345 MPa），因此導(dǎo)致這里出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形，且該區(qū)域的最小安全系數(shù)只有0.504 43，這一處的強(qiáng)度不足，將導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的失效，所以此處應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的加強(qiáng)。

2.2.3 塔架的有限元分析

在做塔架的有限元分析時(shí)，塔架的受力主要由鋼絲繩的拉力提供，將繩索所受到的最大拉力作為載荷加到塔架中，得到塔架的有限元分析結(jié)果整理得到表8。

圖9 應(yīng)力集中區(qū)域圖

表7 有限元分析結(jié)果

表8 塔架有限元分析結(jié)果

根據(jù)表8中數(shù)據(jù)，塔架所受最大應(yīng)力為128.85 MPa，小于Q345的屈服應(yīng)力345 MPa，故塔架整體安全。但塔架部分區(qū)域存在較大變形，且安全系數(shù)最小值僅為1.94，對比有限元分析結(jié)果圖，應(yīng)對塔架部分區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的加強(qiáng)，需加強(qiáng)區(qū)域如圖10所示。

圖10 塔架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)區(qū)域

3 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)及改進(jìn)方案

根據(jù)有限元分析結(jié)果顯示，在跳板受載狀態(tài)下，3段跳板均有應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)，因此對分析中出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域應(yīng)當(dāng)進(jìn)行加強(qiáng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求對非應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行減重處理，使其總重量不超過74 t。

3.1 第1段調(diào)整

分析知道，第1段的前伸部分受力較大，產(chǎn)生嚴(yán)重變形，應(yīng)對這一部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的加強(qiáng)，可用加強(qiáng)筋或肋板等進(jìn)行加強(qiáng)，使其滿足強(qiáng)度要求，加強(qiáng)部位如圖11中指出部分所示。

將前伸部分中較為薄弱的地方增加加強(qiáng)筋或肋板，調(diào)整其寬度，使其寬度和圖中對比部位寬度相同，這樣可以使這一部位受力相對均勻，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，提高機(jī)構(gòu)安全性。

圖11 跳板第1段改進(jìn)

經(jīng)過結(jié)構(gòu)加強(qiáng)之后，最大應(yīng)力為331 MPa，低于材料的下屈服強(qiáng)度345 MPa。故通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)改善跳板的應(yīng)力狀況的方法可行。

第1段中除小區(qū)域的應(yīng)力集中導(dǎo)致強(qiáng)度較低外，整體受力狀況良好，能夠承受工作載荷，因此可考慮采用適當(dāng)減小鋼板厚度的方法減小第1段的重量。見圖12。

圖12 加強(qiáng)后應(yīng)力集中區(qū)域

3.2 第2段改進(jìn)及減重

跳板第2段總長為10.5 m，占跳板預(yù)設(shè)計(jì)總長的1/3。第2段跳板過長將導(dǎo)致以下問題：

1）整體比例不協(xié)調(diào)。第2段與第1段之間的鉸鏈承受較大的自重載荷，影響跳板的安全性。

2）當(dāng)載重集中在第2段跳板靠近第3段的那一端時(shí)，因第2段過長，重力載荷產(chǎn)生的力矩較大，使跳板各承力部位承受額外的應(yīng)力。

3）第2段較長導(dǎo)致跳板整體長度超限，同時(shí)導(dǎo)致跳板整體超重。

綜合考慮應(yīng)當(dāng)縮減第2段的長度，使其在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。

3.3 第3段改進(jìn)及減重

按照《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》，跳板的坡度應(yīng)按表9中表明的情況設(shè)計(jì)[13]。

表9 跳板的坡度

考慮到跳板需要滿足拖車的運(yùn)輸，設(shè)計(jì)坡度不應(yīng)超過1∶6，轉(zhuǎn)換為角度約為9.5°，同時(shí)，兩船的平臺可能存在一定的高度差，因此第3段跳板坡角應(yīng)選擇一個(gè)合適的值。

現(xiàn)模型設(shè)計(jì)中坡角為11°，因此應(yīng)當(dāng)調(diào)整其角度在9.5°以內(nèi)。

4 結(jié)論

通過有限元分析可知，跳板第1段前端部分是應(yīng)力應(yīng)變的最大處，各鉸鏈的鏈接處也是應(yīng)力集中區(qū)域，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。車輛速度會影響車輛動載荷，在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中車輛應(yīng)低速平穩(wěn)通過。在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中抬起跳板時(shí)的最大應(yīng)力是正常工作的2倍以上，非緊急情況應(yīng)禁止在轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)抬起跳板。在非應(yīng)力集中區(qū)域?qū)μ暹M(jìn)行減重處理，在保證安全性的同時(shí)使重量達(dá)到最小。