于 濤 ,張禮貴,沈超明

(1.南京市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法監(jiān)督局，江蘇 南京 210011；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

在越江交通、近海島嶼和陸島之間，汽車渡船承擔(dān)著重要的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，江蘇境內(nèi)每日有超過(guò)5萬(wàn)輛汽車通過(guò)汽車渡口渡江，長(zhǎng)江江蘇段現(xiàn)用渡船超過(guò)100艘，其中“28車渡”以上的大型專用渡船約占50%。隨著建造技術(shù)的不斷提高，運(yùn)輸車輛日益大型化，且為了達(dá)到高的經(jīng)濟(jì)效益，車輛一般滿載，因此對(duì)汽車渡船跳板強(qiáng)度提出了更高的要求。

朱志宏針對(duì)汽車渡船跳板主梁因?yàn)閺澢鷱?qiáng)度不足容易斷裂破壞的情況，基于影響線法對(duì)33 m汽車渡船跳板的主梁進(jìn)行了強(qiáng)度校核，發(fā)現(xiàn)用影響線法分析移動(dòng)的車輛經(jīng)過(guò)跳板這一動(dòng)態(tài)過(guò)程更加準(zhǔn)確且容易確定主梁應(yīng)力最大的位置；邵學(xué)祥等對(duì)車客渡船跳板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并用有限元分析校核，總結(jié)出利用新型材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)可有效提高跳板壽命；鄭錫超等對(duì)跳板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足強(qiáng)度要求的條件下將跳板重量減少22.25%；于大慶等以南京板橋28客渡船為研究對(duì)象，對(duì)5種不同工況下的跳板強(qiáng)度進(jìn)行了有限元計(jì)算并采用應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試技術(shù)對(duì)主跳板進(jìn)行了負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明跳板的變形、跳板上表面和跳板縱桁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度均滿足2016年更新后的《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》要求；廖燕輝使用有限元軟件Patran對(duì)“奇石車渡01”客渡船跳板的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算并對(duì)照規(guī)范分析了跳板變形的主要原因。

現(xiàn)役的汽車渡船跳板雖然在設(shè)計(jì)時(shí)滿足強(qiáng)度規(guī)范，但是用有限元和數(shù)值分析的方法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核的方法始終停留在理論研究，很少有具體的測(cè)試方案對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核，渡船的運(yùn)行仍然存在安全隱患，因此提出一種行之有效的強(qiáng)度測(cè)試與分析方法具有重大意義。本文根據(jù)某服役中的汽車渡船跳板的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，結(jié)合有限元分析與實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析技術(shù)，提出一套完整的強(qiáng)度測(cè)試與分析方案，并進(jìn)行了實(shí)測(cè)與驗(yàn)證，以期為此類船舶的檢驗(yàn)提供有效手段。

1 測(cè)試方案總體設(shè)計(jì)

1.1 跳板結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

某汽車渡船船首和船尾的跳板結(jié)構(gòu)完全相同。為了方便車輛停放與行駛，該船甲板呈長(zhǎng)方形，兩端設(shè)有帶鉸鏈的跳板，汽車通過(guò)跳板上下渡船。測(cè)試跳板由主跳板和各種加強(qiáng)構(gòu)件組成，并且板面為弧狀。其主要參數(shù)如下：總長(zhǎng)度為9 600 mm，板尾邊長(zhǎng)為13 060 mm，板首邊長(zhǎng)為8 300 mm，材料為16 Mn，彈性模量為2.06×10MPa，屈服強(qiáng)度為355 MPa，密度為7 850 kg/m，泊松比為0.3。渡船跳板需要在受到動(dòng)態(tài)車輛載荷、慣性載荷等作用時(shí)其強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置和載荷及約束情況

為了確定測(cè)點(diǎn)的位置，在測(cè)試前利用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，初步掌握跳板應(yīng)力分布情況，確定測(cè)點(diǎn)布置位置。根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)及其2016年變更通告，試驗(yàn)擬采用的加載車輛載重量約為800 kN，在與船端連接的鉸鏈處節(jié)點(diǎn)上施加縱向、橫向、垂向線位移約束，另一端兩邊角的節(jié)點(diǎn)上施加橫向、垂向線位移約束，額載工況加載示意圖見圖1。

圖1 汽車結(jié)構(gòu)及載荷示意圖(單位：mm)

從圖1計(jì)算得出：汽車前輪輪印載荷=1.143 MPa，后輪輪印載荷=0.530 8 MPa。

跳板有限元仿真計(jì)算結(jié)果見圖2。從圖中可知，其最大位移處于跳板中部，而最大應(yīng)力區(qū)域則處于中間3根強(qiáng)縱桁截面過(guò)渡處。受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，無(wú)法在最大應(yīng)力區(qū)域直接測(cè)試，所以將測(cè)點(diǎn)布置到甲板表面，采用對(duì)稱布置的方法驗(yàn)證仿真正確性。

圖2 有限元計(jì)算的跳板位移及應(yīng)力

所有測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)在-平面上表示，以跳板的較長(zhǎng)的下邊緣中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，邊長(zhǎng)方向向右為軸正方向，中軸線向上為軸正方向，根據(jù)有限元仿真計(jì)算結(jié)果首先確定應(yīng)力危險(xiǎn)處，布置了、、、這4點(diǎn)，另外考慮到不同的停車位置會(huì)影響最大值的位置。因此，在最大應(yīng)力可能出現(xiàn)的區(qū)域布置另外3個(gè)測(cè)點(diǎn)、、。7個(gè)點(diǎn)的具體位置見圖3。

圖3 測(cè)點(diǎn)示意圖

2 實(shí)船測(cè)試分析與強(qiáng)度校核

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試前必須準(zhǔn)備好加載所需的車輛及配重，并注意天氣情況，盡量減小風(fēng)浪和氣溫變化對(duì)測(cè)試精度的影響。

2.1 測(cè)試工況

為了更加準(zhǔn)確地模擬渡船在工作狀態(tài)的實(shí)際情況，達(dá)到全面測(cè)試跳板應(yīng)力狀態(tài)的目的，本次測(cè)試采取4種工況，具體測(cè)試工況見表1。

表1 測(cè)試工況

2.2 設(shè)備儀器

采用SG404型無(wú)線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試；電阻應(yīng)變計(jì)，采用三軸電阻應(yīng)變計(jì)，其阻值為120 Ω，敏感柵尺寸為3 mm×2 mm，靈敏系數(shù)2.17，對(duì)鋼材具有溫度自補(bǔ)償功能。

2.3 測(cè)試結(jié)果及分析

SG404型無(wú)線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)將采集到的信號(hào)發(fā)出，與電腦連接的接收裝置實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)一共有4組，每組數(shù)據(jù)有7個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)又有0°、45°、90° 3個(gè)方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)。為了進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，需要利用采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)處主應(yīng)力，具體計(jì)算公式如下：

式中：和分別為第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力；、、分別為各測(cè)點(diǎn)處在0°、45°和90° 3個(gè)方向上的實(shí)測(cè)應(yīng)變量；為彈性模量，取206 GPa；為泊松比，取0.29。

計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)處的主應(yīng)力后，采用形狀改變比能理論計(jì)算各測(cè)點(diǎn)處的等效應(yīng)力，并以此作為評(píng)價(jià)跳板上表面鋼板的強(qiáng)度是否滿足要求的準(zhǔn)則。等效應(yīng)力的具體計(jì)算公式為

式中：為第二主應(yīng)力。

由于跳板在工作時(shí)上表面的應(yīng)力狀態(tài)接近于平面應(yīng)力狀態(tài)，而實(shí)測(cè)的主應(yīng)力也是跳板上表面的應(yīng)力，故可以近似設(shè)=0，由此可得實(shí)測(cè)等效應(yīng)力為

由此，可計(jì)算得到跳板上表面各測(cè)點(diǎn)在4種工況下的等效應(yīng)力。經(jīng)過(guò)計(jì)算后的7個(gè)測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力曲線見圖4。

圖4 各工況下應(yīng)力時(shí)間曲線

從圖上可以看出：在工況1和工況2中跳板起升及剎車過(guò)程中應(yīng)力出現(xiàn)了明顯的跳躍式上升和下降，運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)力平穩(wěn)未出現(xiàn)較大的波動(dòng)，并且整體應(yīng)力處于較小范圍，這是因?yàn)樘遄灾剌^輕，跳板整體結(jié)構(gòu)受力合理。工況3跳板開始受載，整體趨勢(shì)和前2個(gè)工況相似，最大應(yīng)力值增大。工況4是車輛動(dòng)態(tài)行駛過(guò)程，應(yīng)力變化較快，加上外界風(fēng)浪的影響，易出現(xiàn)某一時(shí)刻應(yīng)力較大的極值點(diǎn)，但極值點(diǎn)數(shù)值也遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度許用值255 MPa。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，每個(gè)工況的應(yīng)力值都滿足強(qiáng)度要求。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知，主跳板結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)域(即最大應(yīng)力區(qū)域)位于結(jié)構(gòu)下方的縱桁下部，由于實(shí)際作業(yè)條件的限制，實(shí)際測(cè)試得到的僅是跳板上表面的應(yīng)力，故必須換算得到縱桁下部對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)力值以對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度再進(jìn)行評(píng)價(jià)。

車輛跳板的甲板與縱桁的截面可以簡(jiǎn)化為T型梁，見圖5。而對(duì)于梁而言，總是一側(cè)受拉而另一側(cè)受壓，且必定存在一個(gè)中性軸，如果已知梁截面上的最大拉應(yīng)力為，最大壓應(yīng)力為，梁高為，則可以根據(jù)拉壓應(yīng)力確定梁的中性軸位置。確定中性軸位置后就可以通過(guò)某一點(diǎn)的拉、壓應(yīng)力確定對(duì)應(yīng)點(diǎn)的壓、拉應(yīng)力，對(duì)于跳板甲板與縱桁的某一橫截面的中性軸通過(guò)有限元計(jì)算的應(yīng)力值進(jìn)行推算。

h—梁高；y1—甲板上表面到截面中性軸的距離。

由于跳板縱桁的寬度非常小，沿軸方向的彎曲應(yīng)力也非常小，可忽略不計(jì)，因此僅需考慮繞軸彎曲產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，即方向的應(yīng)力，此時(shí)縱桁下部各點(diǎn)的單向應(yīng)力的絕對(duì)值近似于等效應(yīng)力。利用有限元計(jì)算結(jié)果，對(duì)測(cè)試涉及的4個(gè)工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，設(shè)定跳板上表面測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱桁下部的點(diǎn)為′，并以此設(shè)定其余6個(gè)點(diǎn)，計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)的換算系數(shù)見表2。

表2 跳板上表面與縱桁下部的Y方向應(yīng)力換算系數(shù)

由圖4可知，工況4條件下的應(yīng)力值比其他3種工況大得多，因此只需計(jì)算此工況下縱桁的換算應(yīng)力即可檢測(cè)跳板強(qiáng)度。根據(jù)上述應(yīng)力換算原理和計(jì)算方法，現(xiàn)采用跳板上各測(cè)點(diǎn)的方向的單向應(yīng)變計(jì)算得到跳板縱桁下部的最大實(shí)際應(yīng)力，其結(jié)果見表3。

表3 縱桁下部各點(diǎn)在工況4下的最大應(yīng)力

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)中的要求，渡船跳板使用的是AH36鋼材，其屈服強(qiáng)度為355 MPa，應(yīng)力許用安全系數(shù)為1.18，計(jì)算得到渡船跳板許用應(yīng)力=300.85 MPa。根據(jù)表3可知，跳板縱桁下部各點(diǎn)在上述各工況下的最大應(yīng)力為95.32 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力300.85 MPa，跳板縱桁結(jié)構(gòu)始終在彈性范圍內(nèi)工作，即跳板縱桁的強(qiáng)度滿足要求。

3 結(jié)論

本文根據(jù)渡船的強(qiáng)度檢測(cè)的實(shí)際需求，提出了一套測(cè)量方案，并對(duì)實(shí)船的跳板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試和分析，得到以下結(jié)論：

(1)本文提出的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的手段對(duì)汽渡船跳板的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變實(shí)測(cè)并換算出跳板結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的方法切實(shí)可行，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)跳板結(jié)構(gòu)真實(shí)強(qiáng)度的校核，可以為類似船舶結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)提供參考。

(2)實(shí)測(cè)與分析結(jié)果表明，目標(biāo)汽渡船的跳板結(jié)構(gòu)在各工況下的最大應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，其強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

(3)車輛行駛產(chǎn)生的動(dòng)載效應(yīng)會(huì)使跳板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力顯著增大，而銹蝕、磨損導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)截面減小會(huì)加劇這個(gè)問(wèn)題，長(zhǎng)期服役更易誘發(fā)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，因此有必要定期對(duì)跳板的真實(shí)強(qiáng)度進(jìn)行校核，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估。