不同斜坡板开孔方案对结构强度的影响研究

周卫鹏,徐海涛,丁仕风,王庆丰,徐 骁

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院, 镇江 212100)

在海上进行车辆过驳作业的滚装船,一般在舱室内设置水平高度不同两个车辆甲板.较低的车辆甲板仅提供车辆通行,较高的车辆甲板用作车辆舱平台.车辆甲板之间设置斜坡板相连并起到挡浪作用,为避免海水对斜坡板带来强烈冲击和阻断波浪爬升,需在斜坡板上开设消波孔,但消波孔的开设也影响了车辆的通行,降低了斜坡板的强度,因此在保证消波性能前提下探寻最佳开孔方案具有重要意义.消波孔的开设主要考虑两个问题,一是开孔的消波机理,二是开孔后的斜坡板的结构强度.文献[1]通过数值仿真技术对开孔式防波堤进行研究,分析开孔式防波堤的消波机理.文献[2]提出了一种新型的变孔径倾斜孔板式消波装置,并对该装置的消波性能进行了系统研究.文献[3]对双层水平板型防波堤通过物理模型试验和数值模拟,研究了该型式防波堤与波浪的相互作用.文献[4-5]通过物理模型试验与数值模拟,研究斜坡式上部结构对开孔沉箱消浪效果的影响.文献[6]提出了一个半解析解来评估新组合沉箱在正交波攻击下的吸波性能. 文献[7]研究了波浪特性和波浪结构系统的配置对水下平板水动力性能的影响,发现淹没水平板的水动力性能变化规律.文献[8]提出了一种基于车辆诱导响应相关性的桥梁损伤识别方法,并验证了该方法对桥梁单处损伤和多处损伤的有效性. 文献[9-10]提出了一种移动荷载作用下箱梁损伤识别的新方法,并验证了该方法的有效性.同年提出了一种基于应变影响线和载荷横向分布的运动载荷识别新方法,进行了一系列数值模拟和实验验证了该方法.文献[11]采用ABAQUS模拟开孔板连接件推出试验,给出了开孔板连接件的极限抗剪承载力与钢筋屈服强度、直径和长度的关系表达式.文献[12]利用非线性有限元方法,对两种开孔形式的船体板极限强度进行了计算,得出了对开孔船体板极限承载能力最有利的补强方式.之前的学者主要研究点放在结构的消波机理和消波性能,而对结构本身的强度研究较少.多数强度校核也是简单地用 1.1倍动载荷系数乘以车辆轴载荷转化为静载荷,然后采用有限元计算或者是估算法,最终得到的应力[13].这样的方法已经很难达到结构的设计要求.在此之后针对斜坡板强度的试验研究大多也是基于上述思想开展[14].文中以某滚装船挡浪斜坡板为对象,对通行车辆通过斜坡板的过程进行动态模拟.在此基础上,根据斜坡板的结构特点和载荷特性提出4种消波孔开孔方案.并基于车辆通行过程的动态模拟进行强度对比,根据结果中应力变形变化的动态特征显示,过大的开孔虽然能够保证消波性能,但对强度的降低也十分明显,过小的开孔则会使开孔分布区域较广,且施工麻烦.合理的开孔大小和分布不仅能够保证消波性能,而且可以方便结构传递剪切、弯曲、拉伸、压缩等载荷,从而保证结构强度.

1 斜坡板结构特点分析

1.1 斜坡板结构特点

斜坡板的作用是连接高度不同的车辆甲板,如图1.斜坡板四周都与船体结构相连,且底部有数列舱壁进行支撑.斜坡板的下半部分为消波区域,且设一定面积的消波孔,如图2.消波孔的轮廓一般采用圆形或者椭圆形来避免应力集中;开孔位置设置在斜坡板横纵主次要构件之间消波孔的开设在一定程度上降低了斜坡板本身的强度.

图1 斜坡板示意图

图2 消波孔示意图

1.2 斜坡板载荷特点及开孔设计要点分析

斜坡板承受的载荷为波浪的冲击以及通行车辆载荷两部分.波浪冲击只会在限定海况环境下海上作业时才会产生,所以影响斜坡板最主要的因素是通行车辆载荷.除了汽车重量造成的影响外,还要考虑的是车辆载荷是循环载荷,伴随着摩擦力和冲击力.且汽车运行时极有可能会将轮印直接施加到消波孔位置,从而产生更加集中的作用力,带来更高的危险性.

为保证消波孔的消波性能,需根据斜坡板消波区域面积大小保证一定的总开孔面积,一般为15%～20%;开孔的形状要保持圆形或者椭圆形等较为光顺的边界轮廓,避免应力集中;开孔的布置应尽可能使横纵主次要结构的不连续性减至最小,且需留有满足车辆安全通行的路径.

2 不同开孔方案动态模拟

2.1 斜坡板开孔方案

设计的4种开孔方案以某型滚装船斜坡板为背景,斜坡板总长为14.4 m、宽度为9.6 m,纵骨间距为0.6 m,横向结构间距为1.2 m,开孔处横向结构间距为2.4 m,消波孔开孔总面积为13.824 m2.开孔方案根据斜坡板结构特点并遵循开孔设计要点进行设计.4种设计方案如图3,具体为:

图3 斜坡板开孔设计方案

(1) 方案1出于施工简便,在同样的开孔面积条件下,尽可能开大孔,采用纵骨间距中单列的长方形大开孔方式,开孔边缘采用圆角以避免应力集中.

(2) 方案2考虑到车轮较窄的车辆在通行过程可能中发生车轮滑入消波孔中的情况,所以将纵骨间的开孔分为两列,减小开孔宽度,以避免车辆发生意外.

(3) 方案3与方案2考虑的习题一致,故采用横向开孔以此来进行强度对比分析.

(4) 方案4考虑开孔面积过大时,一方面导致应力集中化,另一方面导致车辆易发生危险,所以在保证同样开孔面积的前提下,在预留的通车路径上开设不影响车辆通行的圆形小孔,以分担总开孔面积,提高大开孔处的强度和安全性.

2.2 斜坡板有限元模型

研究仅考虑消波孔不同开孔方式对跳板强度的影响,只需在ABAQUS实体模型中模拟4种方案下开有消波孔的斜坡板和行驶车辆即可.对于斜坡板本身,需建立斜坡板主体结构以及背面的横纵加强结构,斜坡板及其主次要构件所用钢板为船用高强度钢,材料物理属性:弹性模量E=2.06×1011GPa,泊松比为0.3,剪切模量为0.792×1011GPa,屈服强度为355 MPa;对于消波孔,需严格按照不同方案将消波孔的形状、位置、面积开设.对于行驶的车辆,由于本研究只分析车辆质量的影响,只需模拟施加了质量与速度的橡胶滚轮滚动的过程,文中采用车辆重量为20 t,车轮直径设为80 cm,ABAQUS仿真模型如图4.

图4 斜坡板动力学仿真模型

为合理地对ABAQUS中的模型进行约束,考虑斜坡板四周与船体结构相连,所以模型四周采用全固定约束,斜坡板底部为舱壁支撑的位置采取z向位移约束,模型边界约束见表1,U1、U2、U3分别为x,y,z方向位移约束,UR1、UR2、UR3分别为绕x,y,z方向的旋转约束.

表1 边界约束信息

2.3 动态模拟相互作用分析

为更详细地分析不同开孔方案下结构强度的差异,模型中分别模拟一辆车通行和四辆车并行的过程,通行路径上本研究考虑单车辆在安全通行路径以及直接行驶在开孔位置两种情况来分析斜坡板受力情况.由于斜坡板开孔区域距离较短,为便于详细地读取结果,将车辆通行速度降低为5 km/h,为车轮施加旋转和位移速度约束,如表2.V1、V2、V3分别为x,y,z方向的速度,VR1、VR2、VR3分别为车轮绕x,y,z旋转的角速度.

车轮在斜坡板开孔区域通行过程大致为5.2 s,在模型中将分析步设置为非线性动态显性,为车轮添加20 t重量并将车轮设置为超弹性,将车轮初始位置设置在未开孔上半区域,模型车辆下坡过程,使其通行至斜坡板端部大致为6 s.车轮和斜坡板之间采用接触模型来定义,关于施加接触力的相关定义,需要在软件中设置相关的参数值:

(1) 力的非线性指数,分析中车轮材料为橡胶,非线性指数值可以取2～3.在动力学仿真中,非线性指数取值一般大于 2.1 会使求解更加稳定合理,文中取默认值 2.2.

(2) 摩擦系数,由于车辆通行过程模拟中的摩擦力方向与车辆跳板板面平行,所以对文中主要研究的垂向力影响较小,因此与摩擦力相关数值设置采取系统默认值即可,即静摩擦因数为0.3,动摩擦因数为0.1.

3 分析结果

3.1 斜坡板不同区域应力对比

首先选取图5中方案1斜坡板下半区域短开孔处安全路径A点与上半区域同样结构类型B点进行应力对比,如图6.

图5 A、B点布置

图6 A、B点应力比较

如图6,无论是A点还是B点,只有当车轮经过时应力值才会突然上升,表明斜坡板不同于普通的汽车跳板,底部横纵主次要构件较多且较强,因此,车轮在斜坡板上行驶时并不会出现大面积高应力现象.从A点和B点两处的应力来看,A点的应力最大值达到41 MPa,而B点应力最大值仅有34 MPa,由此可见下半区域的开孔降低了将近20%的整体强度.

3.2 斜坡板安全路径应力与变形对比

斜坡板强度最低的横向位置在长开孔处,因为此处背部横向结构的跨距为正常区域的两倍,因此选取长开孔处安全路径的一点,如图7,对不同数量的车辆在安全行驶路径进行动态模拟,针对此位置进行4种不同开孔方案下的单辆车和多辆车行驶在安全路径的应力和变形对比.

图7 侦测点布置

车辆动态模拟的历时应力曲线对比,如图8,变形曲线如图9.

图8 安全路径行驶应力历时曲线

图9 安全路径行驶变形历时曲线

如图8,在模拟单辆车通行过程中,车辆在经过4.2 s后到达侦测位置,并在4.5 s时达到应力峰值.方案1是应力最小的,因为当车辆按照安全通行路径行驶时,方案一中的车辆距离开孔位置最远,所以受影响最小.而方案4的应力最大,因为圆形小孔的开设降低了安全通行路径的结构强度.而在模拟多辆车当中可以看到,斜坡板应力水平只提升了15%左右,由于斜坡板较宽,且主次要支撑构件较多,多辆车并行相比单辆车通行仅仅是应力分布区域变大,并没有对某一局部区域造成较大的影响.但反观4种方案的比较,在多辆车模拟中,方案2成了应力最大的开孔方式,由此可见增加开孔的列数,进一步降低了斜坡板载荷的横向传递,导致应力更加集中化.图9中的单车通行中的变形情况基本与应力一致.

3.3 斜坡板开孔路径应力与变形对比

车辆调运过程中,汽车不一定会严格按照安全路径行驶,有时车轮会直接行驶到开孔路径,造成有限轮印,从而产生更高的应力水平,如图10.

图10 安全路径行驶变形历时曲线

因此,对4种不同开孔方案在长开孔路径上最薄弱的位置进行应力和变形对比,以分析4种方案的优缺点,应力和变形历时曲线如图11.

图11 开孔路径行驶应力及变形历时曲线

如图11,斜坡板的应力水平相比图8安全路径的应力达到其2～3倍的数值.如此可见,车辆在开孔处行驶时,有限的轮印面积导致轮印载荷更为集中,且开孔处强度较低,应力的明显增大.在车辆模拟行驶中,方案4的应力值最小最稳定,这也体现了方案4安全路径分担开孔面积的设计初衷.而方案2成为应力最高的设计,应力最大点出现在纵骨间距中两列开孔的中间处,此位置板材呈细长条状,且背部无构件支撑,当车辆直接将轮印施加在此位置,会产生较大的应力,在多车模拟中达到了300 MPa以上,已是危险状态.反观方案3的应力水平,在驶入开孔区域后,应力虽然很高但高应力变化较小,最大值达到150 MPa左右.因为横向的开孔相对密集,形成数量较多的横向细长型板材,且车轮与斜坡板接触的轮印长度本身就小,当轮印行驶在这些细长的横向细板结构上时,前后没有结构传递受到的作用力,因此会产生较大的局部压强.方案1应力情况无论是从单车还是多车,在4种方案都比较低,因其开孔方式没有造成方案2、3这种条状无支撑板结构,应力的增大主要是由有限轮印何开孔四周强度相对较弱所造成.

在变形对比中,几种方案变形情况相差较大,方案1、4的变形情况是最小的,变形最大也只有不到10 mm,且曲线走势也大致相同.方案4比方案1相对变形小一些,因为方案1、4的开孔形状是一样,但方案4的开孔宽度略小;方案2的变形极值达到了30 mm多,考虑车轮行驶至开孔列之间无支撑的细长板材时,已将细列板压至剧烈变形;而方案3的变形情况也大致和应力曲线相似,密集的细长板导致变形较大且位置较多.

4 结论

(1) 通过应力对比,发现车辆行驶在设有消波孔的下半区域的安全路径时比上半区域应力均值提高20%左右,说明消波孔的开设对强度的降低比较明显;而车辆直接行驶在开孔路径产生有限轮印的情况下,应力值达到安全路径的2～3倍,相对比较危险,因此合理的开孔方式有助于提高斜坡板的结构强度和车辆通行的安全性.

(2) 通过对比4种不同方案,发现车辆行驶在安全路径时,4种方案安全性相差无几.但车辆行驶在开孔路径时,方案1、4相比方案3和安全性提高了30%～40%,而方案2设计的危险性达到其他方案的2倍,易造成破坏,实际设计中应避免出现方案2类似的无主次要构件支撑的细长板.

(3) 从不同路径的强度分析所示,应力变形最高位置都是在开孔的边缘处,随着轮印接触面积减小而增大,最高应力变形值可达到安全路径的400%.且轮式车的轮胎与斜坡板接触面积小,前后长度短.需要保证车辆行驶在开孔路径时的有效轮印面积,应避免方案3的横向开孔.综上所述,最佳强度设计为方案4.