一種港作拖船艏部托架新型結(jié)構(gòu)

付崇博，馬希軍，魏建慶，童南都，操安喜

(1．上海海事大學(xué) a.商船學(xué)院；b.海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306；2.上海港復(fù)興船務(wù)公司，上海 201114)

0 引 言

運(yùn)輸船舶的大型化使得原本可供航行的狹窄水域顯得更加狹小。大型船舶在港口內(nèi)部的操縱受到很大的限制,因此大型船舶的靠離泊、港內(nèi)掉頭和進(jìn)出港等越來(lái)越多地依賴于拖船的協(xié)作[1-3]。拖船助操是大船能否順利、安全地進(jìn)行港內(nèi)操縱的關(guān)鍵，拖船作業(yè)在港口作業(yè)系統(tǒng)中是一個(gè)必不可少的部分[4]。本文中的拖船指港作全回轉(zhuǎn)拖船，主要采用頂推作業(yè)方式協(xié)靠大船，其艏部托架上的橡膠護(hù)舷是拖船與被協(xié)靠大船直接接觸的結(jié)構(gòu)。在協(xié)靠大船過(guò)程中，拖船艏部托架支撐的橡膠護(hù)舷頻繁與協(xié)靠大船接觸，與協(xié)靠大船的碰撞沖擊力極易使承托橡膠護(hù)舷的托架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大面積變形失效。因此，艏部托架結(jié)構(gòu)的合理性直接影響拖船的正常作業(yè)和返廠維修的頻次，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能延長(zhǎng)維修周期、節(jié)約維修費(fèi)用和維修期內(nèi)的停航費(fèi)用，而且能使托架建造工藝得到優(yōu)化。

本文提出一種新型托架結(jié)構(gòu)。通過(guò)與原始托架結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)，且建造工藝得以改進(jìn)。此結(jié)構(gòu)已用于一條拖船托架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]中。為說(shuō)明新型托架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)新型托架結(jié)構(gòu)和原始托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算和對(duì)比分析，得到兩種托架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平和分布，確定相對(duì)較優(yōu)的托架結(jié)構(gòu)，為拖船托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 新型托架結(jié)構(gòu)的提出

托架是拖船主船體外的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)。對(duì)原始托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)它存在一些缺陷：(1)托架的輪廓線較為平直，存在相對(duì)尖角，導(dǎo)致所受碰撞力無(wú)法得到有效分散；(2)上面板伸出主船體外側(cè)的部分過(guò)長(zhǎng)，隔板與其連接處存在尖角，該處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯；(3)圓弧托板變形較為嚴(yán)重，托架結(jié)構(gòu)偏弱；(4)受制作工藝的限制，圓弧托板與橫撐板無(wú)法焊接，圓弧托板未得到有效支撐，托架各部件間未形成有機(jī)整體，不利于碰撞力的分散傳遞。

托架原始結(jié)構(gòu)和實(shí)際損壞情況見(jiàn)圖1。本文以原始托架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，針對(duì)原始結(jié)構(gòu)缺陷，改變托架的結(jié)構(gòu)：(1)優(yōu)化托架輪廓線，以去除相對(duì)尖角，利于碰撞力的均勻分散；(2)縮短上面板伸出主船體外側(cè)部分的長(zhǎng)度，去除隔板與其連接位置的尖角，以緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象；(3)將主要起傳力作用的隔板、圓弧托板厚度加大，增強(qiáng)托架整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；(4)在隔板上開(kāi)人孔，使橫撐板可與圓弧托板焊接，并在橫撐板與上面板之間增加與橫撐板相似的加強(qiáng)材，使托架結(jié)構(gòu)成為有機(jī)整體，建造工藝得到優(yōu)化。

a)原始結(jié)構(gòu)

b)損壞情況

原始托架結(jié)構(gòu)由隔板、圓弧托板、橫撐板、上面板、下面板、橡膠護(hù)舷等結(jié)構(gòu)組成，受制作工藝的限制，圓弧托板與橫撐板無(wú)法焊接。新型結(jié)構(gòu)隔板厚度增至10 mm且其隔板上開(kāi)有人孔，開(kāi)孔側(cè)使用規(guī)格為10 mm×100 mm扁鋼包邊;圓弧托板厚度增至12 mm;在圓弧托板內(nèi)側(cè)，橫撐板與上面板之間增加規(guī)格為12 mm×120 mm扁鋼進(jìn)行加強(qiáng);橫撐板的尺寸增大到12 mm×200 mm；上面板向主船體方向縮短55 mm;其余結(jié)構(gòu)與原始結(jié)構(gòu)相同。原始、新型托架結(jié)構(gòu)的剖面圖分別見(jiàn)圖2和3。隔板上所開(kāi)人孔使得橫撐板、加強(qiáng)材能夠與圓弧托板焊接，優(yōu)化了建造工藝。為使碰撞力均勻地分散到托架結(jié)構(gòu)上，對(duì)托架輪廓進(jìn)行優(yōu)化以去除相對(duì)尖角，托架輪廓優(yōu)化前后對(duì)比見(jiàn)圖4。原始托架結(jié)構(gòu)與新型托架結(jié)構(gòu)各部件尺寸的對(duì)比見(jiàn)表1。

圖2 原始托架結(jié)構(gòu)剖面圖

圖3 新型托架結(jié)構(gòu)剖面圖

圖4 托架輪廓線及隔板位置

2 托架有限元建模

2.1 托架有限元模型

將托架的上面板、下面板離散為板單元；圓弧托板和上面板與下面板之間的過(guò)渡圓鋼離散為梁?jiǎn)卧?；采用GAP單元模擬橡膠護(hù)舷與承托橡膠護(hù)舷的圓弧托板間的接觸，實(shí)現(xiàn)模型簡(jiǎn)化和力的傳遞；采用剛體單元模擬碰撞力傳遞過(guò)程，拖船艏部模型單元數(shù)約為28 600個(gè)，其中梁?jiǎn)卧虶AP單元約為3 400個(gè)，板單元約為25 200個(gè)。拖船艏部和托架結(jié)構(gòu)有限元模型分別見(jiàn)圖5和6。讀取模型的質(zhì)量，原始托架結(jié)構(gòu)質(zhì)量為4.23 t，新型托架結(jié)構(gòu)質(zhì)量為5.16 t。因此，采用質(zhì)量較小的橡膠護(hù)舷，以減小托架結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加給拖船總體性能帶來(lái)的影響。

表1 原始、新型托架結(jié)構(gòu)各部件尺寸

圖5 拖船艏部模型

a)原始托架結(jié)構(gòu)

b)新型托架結(jié)構(gòu)

2.2 GAP單元

橡膠護(hù)舷是船舶或碼頭上常見(jiàn)的一種緩沖裝置，具有彈性好、吸能多、壽命長(zhǎng)和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。[6]當(dāng)受到擠壓時(shí)，橡膠護(hù)舷能夠在彈性范圍內(nèi)產(chǎn)生大變形，通過(guò)壓縮、彎曲存儲(chǔ)勢(shì)能，吸收部分因拖船頂推作業(yè)產(chǎn)生的碰撞能量，使碰撞力減小。[7-9]宋顯明等[10]使用GAP單元較為準(zhǔn)確地模擬了隔震橡膠支座的特性。

GAP單元是連接兩節(jié)點(diǎn)的線單元,可用于模擬結(jié)構(gòu)接觸中的相互分離、閉合、滑動(dòng)等相對(duì)狀態(tài)。在未接觸區(qū)域，它不影響分析對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；在接觸區(qū)域，它的壓縮剛度將變得足夠大以防止接觸體相互侵入。[11]GAP單元在實(shí)際工程分析中有一定應(yīng)用。杜靜等[12]使用GAP單元代替滾動(dòng)體對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行簡(jiǎn)化，有效地模擬了滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈之間的接觸狀態(tài)。BATHE等[13]在用有限元模型解決機(jī)械接觸問(wèn)題時(shí)采用GAP單元得到了較為理想的效果。陳達(dá)亮等[14]在氣門(mén)彈簧有限元模型中應(yīng)用GAP單元較好地模擬了實(shí)際狀態(tài)下氣門(mén)彈簧的特性。

橡膠護(hù)舷在工作過(guò)程中存在大位移和大應(yīng)變，故接觸過(guò)程分析是非線性分析。GAP單元的非線性特性見(jiàn)圖7:當(dāng)接觸位移差UA-UB≥U0時(shí)發(fā)生接觸，接觸時(shí)的壓縮剛度為KA；分離時(shí)的脫開(kāi)剛度為KB;當(dāng)發(fā)生接觸時(shí)，剪切剛度KT為滑動(dòng)量的函數(shù);摩擦力Fx與滑動(dòng)量成正比關(guān)系，當(dāng)摩擦力達(dá)到接觸面間的最大靜摩擦力F1時(shí)，隨著滑動(dòng)量的增加，靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦，摩擦力為F2。

a)摩擦力與接觸位移的關(guān)系

b)摩擦力與滑動(dòng)量的關(guān)系

圖7GAP單元非線性特性

2.3 計(jì)算載荷及工況

長(zhǎng)度為36 m的拖船作業(yè)時(shí)最大頂推力為509.6 kN，通常情況下進(jìn)行頂推作業(yè)時(shí)不會(huì)使用最大頂推力。出于對(duì)安全的考慮，載荷選取509.6 kN[5]。拖船的橡膠護(hù)舷與被頂推船外板之間有上下滑移趨勢(shì)，鋼與橡膠之間存在靜摩擦力，考慮到有水的潤(rùn)滑作用,動(dòng)摩擦因數(shù)μ取0.6。

沿隔板方向的力FT等于最大頂推力，即FT=509.6 kN,豎直方向分力為FZ=μFT=305.76 kN。

實(shí)際作業(yè)中，拖船擺位與大船垂直或接近垂直，鄰近中縱剖面的托架前端橡膠護(hù)舷與被協(xié)靠大船直接接觸并承受較大的載荷作用，相應(yīng)位置的隔板和圓弧托板均出現(xiàn)了損壞和變形。因此，主要對(duì)A～D的隔板及相鄰兩隔板間的圓弧托板進(jìn)行強(qiáng)度校核。

分為以下4種工況進(jìn)行校核：工況1—僅由一塊隔板承受載荷；工況2—由隔板及相鄰兩列圓弧托板單元承受載荷；工況3—由相鄰兩塊隔板間圓弧托板中部一列單元承受載荷；工況4—由相鄰兩塊隔板間圓弧托板中部相鄰兩列單元承受載荷。

3 計(jì)算結(jié)果分析與對(duì)比

原始托架結(jié)構(gòu)與新型托架結(jié)構(gòu)在各工況下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和3。

表2 各隔板Von Mises應(yīng)力最大值 MPa

表3 各圓弧托板Von Mises應(yīng)力最大值 MPa

本文托架結(jié)構(gòu)鋼板為A級(jí)鋼板，屈服強(qiáng)度為235 MPa，材料系數(shù)K為1.0。依據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》關(guān)于拖船支承結(jié)構(gòu)的規(guī)定,許用相當(dāng)應(yīng)力(Von Mises應(yīng)力) [σe]=213/K=213 MPa。新型托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值σmax=165.4 MPa<[σe]，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

由表2和3可知，原始結(jié)構(gòu)在工況1和工況3下的應(yīng)力水平較高，最大Von Mises應(yīng)力值均在300 MPa以上。工況1應(yīng)力最大位置位于隔板與上面板相連位置，最大Von Mises應(yīng)力值為339.6 MPa；工況3應(yīng)力最大位置位于圓弧托板中上部，最大Von Mises應(yīng)力值為320.2 MPa，已達(dá)到鋼板的屈服極限。計(jì)算結(jié)果與托架結(jié)構(gòu)實(shí)際損壞位置一致，證明了應(yīng)用GAP單元模擬橡膠護(hù)舷與圓弧托板間的接觸是有效的，實(shí)際損壞情況見(jiàn)圖1b。根據(jù)對(duì)工況1和工況3下托架非均勻受力情況的模擬，非均勻受力時(shí)托架應(yīng)力水平明顯增高。因此，對(duì)拖船艏部托架型線進(jìn)行優(yōu)化是有必要的，相對(duì)圓滑的型線有利于碰撞力的分散。

對(duì)比新型與原始托架結(jié)構(gòu)整體在各工況下的最大Von Mises應(yīng)力值，除在工況2下二者相當(dāng)，其余工況下新型托架結(jié)構(gòu)的最大Von Mises應(yīng)力值均比原始結(jié)構(gòu)的小。在工況3下，當(dāng)外載荷施加到D與E之間的圓弧托板上時(shí)，原始托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力為320.2 MPa，而新型托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力僅為118.0 MPa，減小幅度達(dá)63%，應(yīng)力云圖見(jiàn)圖8和9。從圖8和9可知,最大應(yīng)力位置在圓弧托板中上部。在工況1下，在各隔板上分別施加載荷，新型托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力減小幅度均超過(guò)50%。由圖10和11可知:原始結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)域集中在隔板與上面板相連的位置，由于隔板型線不合理，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯；在新型托架結(jié)構(gòu)中，上面板縮短從而優(yōu)化了隔板型線，減緩了隔板與上面板之間的尖角，且高應(yīng)力被加強(qiáng)材和橫撐板分散到隔板上，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到有效緩解，應(yīng)力分布較為均勻。新型托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力梯度小，不易出現(xiàn)疲勞損壞。在工況4下，當(dāng)外載荷施加到D與E之間的圓弧托板上時(shí)，新型托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力減小幅度超過(guò)40%。受制作工藝的限制，原始托架結(jié)構(gòu)中圓弧托板與橫撐板無(wú)法焊接，沒(méi)有可為圓弧托板提供橫向支撐的部件;新型托架結(jié)構(gòu)在隔板上開(kāi)孔，并在橫撐板與上面板之間增加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，使得加強(qiáng)材和橫撐板能夠與圓弧托板進(jìn)行焊接，建造工藝得到優(yōu)化，為圓弧托板提供有效支撐。在工況2下,雖然兩種托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平相當(dāng)，但是載荷已傳遞到加強(qiáng)材上，新型托架結(jié)構(gòu)中圓弧托板的應(yīng)力水平較原始托架結(jié)構(gòu)的有所降低。從兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)看，本文提出的新型托架結(jié)構(gòu)是合理的。

圖8 工況3下原始托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖9 工況3下新型托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖10 工況1下原始托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖11 工況1下新型托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)兩種托架結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的分析和比較可知:所提出的新型托架結(jié)構(gòu)優(yōu)化了原始托架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，艏部托架型線被優(yōu)化為圓弧形,有利于碰撞力的分散；隔板型線優(yōu)化減緩了應(yīng)力集中現(xiàn)象；隔板開(kāi)孔使建造工藝得以改進(jìn)，托架結(jié)構(gòu)成為有機(jī)整體，碰撞力的傳遞更加均勻。新型托架結(jié)構(gòu)雖然質(zhì)量略有增加，但是對(duì)于改善托架結(jié)構(gòu)前端的應(yīng)力集中現(xiàn)象作用明顯。此新型托架結(jié)構(gòu)可為拖船托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。