基于實驗應(yīng)力分析的汽車渡船跳板強度校核

于 濤 ,張禮貴,沈超明

(1.南京市交通運輸綜合行政執(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，汽車渡船承擔著重要的作用。據(jù)統(tǒng)計，江蘇境內(nèi)每日有超過5萬輛汽車通過汽車渡口渡江，長江江蘇段現(xiàn)用渡船超過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，運輸車輛日益大型化，且為了達到高的經(jīng)濟效益，車輛一般滿載，因此對汽車渡船跳板強度提出了更高的要求。

朱志宏針對汽車渡船跳板主梁因為彎曲強度不足容易斷裂破壞的情況，基于影響線法對33 m汽車渡船跳板的主梁進行了強度校核，發(fā)現(xiàn)用影響線法分析移動的車輛經(jīng)過跳板這一動態(tài)過程更加準確且容易確定主梁應(yīng)力最大的位置；邵學(xué)祥等對車客渡船跳板進行了結(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；鄭錫超等對跳板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足強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客渡船為研究對象，對5種不同工況下的跳板強度進行了有限元計算并采用應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)對主跳板進行了負荷實驗，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“奇石車渡01”客渡船跳板的強度進行了計算并對照規(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)計時滿足強度規(guī)范，但是用有限元和數(shù)值分析的方法對其進行強度校核的方法始終停留在理論研究，很少有具體的測試方案對其強度進行校核，渡船的運行仍然存在安全隱患，因此提出一種行之有效的強度測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，結(jié)合有限元分析與實驗應(yīng)力分析技術(shù)，提出一套完整的強度測試與分析方案，并進行了實測與驗證，以期為此類船舶的檢驗提供有效手段。

1 測試方案總體設(shè)計

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，該船甲板呈長方形，兩端設(shè)有帶鉸鏈的跳板，汽車通過跳板上下渡船。測試跳板由主跳板和各種加強構(gòu)件組成，并且板面為弧狀。其主要參數(shù)如下：總長度為9 600 mm，板尾邊長為13 060 mm，板首邊長為8 300 mm，材料為16 Mn，彈性模量為2.06×10MPa，屈服強度為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態(tài)車輛載荷、慣性載荷等作用時其強度滿足規(guī)范要求。

1.2 測點布置和載荷及約束情況

為了確定測點的位置，在測試前利用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)分析，初步掌握跳板應(yīng)力分布情況，確定測點布置位置。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)點上施加縱向、橫向、垂向線位移約束，另一端兩邊角的節(jié)點上施加橫向、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根強縱桁截面過渡處。受現(xiàn)場條件限制，無法在最大應(yīng)力區(qū)域直接測試，所以將測點布置到甲板表面，采用對稱布置的方法驗證仿真正確性。

圖2 有限元計算的跳板位移及應(yīng)力

所有測點坐標在-平面上表示，以跳板的較長的下邊緣中點為坐標原點，邊長方向向右為軸正方向，中軸線向上為軸正方向，根據(jù)有限元仿真計算結(jié)果首先確定應(yīng)力危險處，布置了、、、這4點，另外考慮到不同的停車位置會影響最大值的位置。因此，在最大應(yīng)力可能出現(xiàn)的區(qū)域布置另外3個測點、、。7個點的具體位置見圖3。

圖3 測點示意圖

2 實船測試分析與強度校核

現(xiàn)場測試前必須準備好加載所需的車輛及配重，并注意天氣情況，盡量減小風浪和氣溫變化對測試精度的影響。

2.1 測試工況

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

表1 測試工況

2.2 設(shè)備儀器

采用SG404型無線應(yīng)變測試系統(tǒng)進行應(yīng)變測試；電阻應(yīng)變計，采用三軸電阻應(yīng)變計，其阻值為120 Ω，敏感柵尺寸為3 mm×2 mm，靈敏系數(shù)2.17，對鋼材具有溫度自補償功能。

2.3 測試結(jié)果及分析

SG404型無線應(yīng)變測試系統(tǒng)將采集到的信號發(fā)出，與電腦連接的接收裝置實時動態(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個測點，每個測點又有0°、45°、90° 3個方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)。為了進行強度計算，需要利用采集到的數(shù)據(jù)計算各測點處主應(yīng)力，具體計算公式如下：

式中：和分別為第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力；、、分別為各測點處在0°、45°和90° 3個方向上的實測應(yīng)變量；為彈性模量，取206 GPa；為泊松比，取0.29。

計算得到各測點處的主應(yīng)力后，采用形狀改變比能理論計算各測點處的等效應(yīng)力，并以此作為評價跳板上表面鋼板的強度是否滿足要求的準則。等效應(yīng)力的具體計算公式為

式中：為第二主應(yīng)力。

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

由此，可計算得到跳板上表面各測點在4種工況下的等效應(yīng)力。經(jīng)過計算后的7個測點的等效應(yīng)力曲線見圖4。

圖4 各工況下應(yīng)力時間曲線

從圖上可以看出：在工況1和工況2中跳板起升及剎車過程中應(yīng)力出現(xiàn)了明顯的跳躍式上升和下降，運行過程中應(yīng)力平穩(wěn)未出現(xiàn)較大的波動，并且整體應(yīng)力處于較小范圍，這是因為跳板自重較輕，跳板整體結(jié)構(gòu)受力合理。工況3跳板開始受載，整體趨勢和前2個工況相似，最大應(yīng)力值增大。工況4是車輛動態(tài)行駛過程，應(yīng)力變化較快，加上外界風浪的影響，易出現(xiàn)某一時刻應(yīng)力較大的極值點，但極值點數(shù)值也遠小于屈服強度許用值255 MPa。從計算結(jié)果來看，每個工況的應(yīng)力值都滿足強度要求。

根據(jù)有限元計算結(jié)果可知，主跳板結(jié)構(gòu)的危險區(qū)域(即最大應(yīng)力區(qū)域)位于結(jié)構(gòu)下方的縱桁下部，由于實際作業(yè)條件的限制，實際測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應(yīng)位置的應(yīng)力值以對結(jié)構(gòu)強度再進行評價。

車輛跳板的甲板與縱桁的截面可以簡化為T型梁，見圖5。而對于梁而言，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某一點的拉、壓應(yīng)力確定對應(yīng)點的壓、拉應(yīng)力，對于跳板甲板與縱桁的某一橫截面的中性軸通過有限元計算的應(yīng)力值進行推算。

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，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，此時縱桁下部各點的單向應(yīng)力的絕對值近似于等效應(yīng)力。利用有限元計算結(jié)果，對測試涉及的4個工況下的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，設(shè)定跳板上表面測點對應(yīng)的縱桁下部的點為′，并以此設(shè)定其余6個點，計算得到各測點的換算系數(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，因此只需計算此工況下縱桁的換算應(yīng)力即可檢測跳板強度。根據(jù)上述應(yīng)力換算原理和計算方法，現(xiàn)采用跳板上各測點的方向的單向應(yīng)變計算得到跳板縱桁下部的最大實際應(yīng)力，其結(jié)果見表3。

表3 縱桁下部各點在工況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，其屈服強度為355 MPa，應(yīng)力許用安全系數(shù)為1.18，計算得到渡船跳板許用應(yīng)力=300.85 MPa。根據(jù)表3可知，跳板縱桁下部各點在上述各工況下的最大應(yīng)力為95.32 MPa，遠小于許用應(yīng)力300.85 MPa，跳板縱桁結(jié)構(gòu)始終在彈性范圍內(nèi)工作，即跳板縱桁的強度滿足要求。

3 結(jié)論

本文根據(jù)渡船的強度檢測的實際需求，提出了一套測量方案，并對實船的跳板結(jié)構(gòu)進行了測試和分析，得到以下結(jié)論：

(1)本文提出的實驗應(yīng)力分析的手段對汽渡船跳板的關(guān)鍵測點進行應(yīng)變實測并換算出跳板結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的方法切實可行，能夠?qū)崿F(xiàn)對跳板結(jié)構(gòu)真實強度的校核，可以為類似船舶結(jié)構(gòu)的檢驗提供參考。

(2)實測與分析結(jié)果表明，目標汽渡船的跳板結(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，其強度滿足規(guī)范要求。

(3)車輛行駛產(chǎn)生的動載效應(yīng)會使跳板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力顯著增大，而銹蝕、磨損導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)截面減小會加劇這個問題，長期服役更易誘發(fā)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，因此有必要定期對跳板的真實強度進行校核，并進行結(jié)構(gòu)的安全評估。