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兩鼓一板橡膠護舷防衝板的有限元分析
- 2019-12-19-

摘要:應用 ADINA 有限元分析軟件,對鼓型橡膠護舷防衝板的應力分布及變形趨勢進行分析研究。通過模擬靠泊時經常出現的 3 種工況,得到了防衝板的受力結果有效應力圖和變形圖。並與傳統計算方法相比較,為碼頭橡膠護舷防衝板的結構設計及優化提供了較可靠的參考依據。

關鍵詞:鼓型橡膠護舷;ADINA;有限元;結構設計

鼓型橡膠護舷具有變形距離大、單位反力吸收能量高、傾斜壓縮性能變化小等優點;護舷前沿設有防衝板,能極大地降低作用於船舶傍板的麵壓力;防衝板上安裝的 PE 貼麵板,能減小船舶與護舷之間的摩擦力,極大地降低船舶靠泊時的剪切力。鼓型橡膠護舷的這些特點,使其在大中型碼頭及建築物的防衝體係中具有較強的適用性。

在港口的整體營運係統中,碼頭防衝體係是港口功能順利運行的重要保障。橡膠護舷作為碼頭防衝體係的主要部分,其性能的好壞將直接對船舶的安全及高效靠泊產生影響,它擔負著船舶與碼頭結構之間力的傳遞的媒介作用。船舶靠泊時所伴隨的巨大撞擊力和擠靠力需要通過橡膠護舷吸能緩衝後,再傳遞到碼頭結構上,避免碼頭結構直接承受船舶的剛性荷載,從而減小船舶靠泊時對碼頭結構的破壞。但隨著水運事業的發展,船舶噸級在不斷增大,船舶靠泊時所伴隨的巨大水平力作用對護舷係統提出了更高的性能要求,某些非常規的靠泊方式也使護舷係統的安全使用麵臨考驗。

護舷係統安全高效的使用,是港方和船方都迫切希望的,也是較高的碼頭作業率的保證。目前國內的橡膠護舷設計理念是早期橡膠護舷規格較小時提出的,而隨著船舶大型化及碼頭結構的輕型化,現有的橡膠護舷設計理念已不適應現在廣泛使用的大型橡膠護舷。針對橡膠護舷實際使用過程中出現的問題,對其受力及工作原理進行分析研究是有必要的。

1 工程概況

兩鼓一板型橡膠護舷,從結構組成上來看,包括兩個護舷本體、鋼結構防衝板以及相應的錨固構件。其結構特征在於:護舷本體由鼓型橡膠胎體和分別固定在鼓型橡膠胎體兩端麵上的第 一法蘭盤和第二法蘭盤構成;第 一法蘭盤位於鋼結構防衝板內,並通過錨固螺栓與鋼結構防衝板錨固在一起;第二法蘭盤通過錨固螺栓直接固定在碼頭結構上。在鋼結構防衝板的外端麵上固定有PE 貼麵板以減小防衝板與船體之間的摩擦係數 [1] 。圖 1 為 A1700 鼓型橡膠護舷防衝板的正視圖與側視圖。

根據對某港口護舷係統的使用狀況調查後發現,該港口橡膠護舷的防衝板發生變形或明顯變形的比例高達 74.5%;其中發生明顯變形的比例達 14.5%,具體表現為兩側邊板 (中間吊耳下方)撞擊變形明顯。發生這些破壞變形的直接可視原因主要是:

1) 個別內河沿海兩用的船舶在船舷的外側有一條凸出的棱體,當船舶靠泊時,船體與橡膠護舷的防衝板隻是在凸出棱體上發生線接觸,這樣受力不均便會導致防衝板的破壞變形;

2) 有些船舶的船尾及船首部分的船體呈“U”形,當靠泊時船體隻是與防衝板的頂端做線接觸,這樣也會導致受力不均;

3) 當靠泊的船舶噸位較小或靠泊時處於低水位,船體就無法與整個防衝板接觸,而隻是與防衝板的下半部分接觸,這種情況的靠泊方式也會引起防衝板的受力不均;

4) 有時船舶靠泊時的船舶軸線並未與碼頭前沿線平行,這樣船體可能會首先與某個單獨的橡膠護舷發生點接觸,這時橡膠護舷受到的作用力就會遠大於設計值,發生破壞的可能性大大增加。

2 有限元計算模型

2.1 理論依據

有限元靜力學分析的過程一般分為以下幾步[2] :

1) 虛功原理,建立單元節點力與單元節點位移的函數關係,即:

F e =K e ×δ e ( 1 )

式中:F e 為單元節點力列陣;K e 為單元剛度矩陣;

δ e 為單元節點位移列陣。

2) 按靜力等效原則把每個單元所受的載荷向節點移置,並求和,從而得到結構的等效載荷列陣 F p 。

3) 根據每一個節點相關單元組集結構的總剛度矩陣 K,並建立整個結構的平衡方程:

F=K×δ ( 2 )

該平衡方程是一個線性方程組,其方程的個數等於結構自由度數,即結構的節點數乘以節點的自由度數。再引入結構的約束信息,消除結構

總體剛度矩陣 K 的奇異性後,便可由該線性方程組解出未知的節點位移 δ。

4) 根據已知的節點位移,計算各單元的應力。有限元解的正確性與合理建立有限元模型、正確處理邊界條件和約束信息都緊密相關。

2.2 有限元模型的建立及單元劃分采用大型通用有限元軟件 ADINA,按照三維空間結構建立有限元模型。在建立有限元模型時,對橡膠護舷係統進行了一定的簡化:去除了防衝板頂部的折彎部分,以及兩側的吊耳環,這樣的簡化並不會對防衝板的受力變形結果產生影響,但能一定程度減小建模難度以及分析研究過程。


在遵循模擬結果可靠的前提下,這種適當的簡化是可以接受的,並且適當的簡化在有限元分析中經常用到。以整個橡膠護舷為研究對象,模型包括以下 3 部分:

1) 防衝板模型:前麵板 2.27 m×6.46 m×0.01 m,橫肋板 2.27 m×0.23 m×0.01 m,縱肋板 6.46 m×0.23 m×0.01 m,後加強板 6.46 m×0.10 m×0.01 m;材料選用 Isotorpic Linear ElasticMaterial,其中彈性模量 E=2.06×10 11 kN/m 2 ,泊鬆比 μ=0.3,單元類型為 SHELL;

2) 橡膠胎體模型:外直徑 1.70 m,內直徑 1.06 m,長度 1.60 m,材料選用 Odgen Material,單元類型為 3-D Solid。

3) 法蘭盤模型:外直徑 2.10 m,內直徑 1.06 m,厚度 0.05 m,材料選用 Isotorpic Linear Elastic Material,其中彈性模量 E=2.06×10 11 kN/m 2 ,泊鬆比 μ=0.3,單元類型為 3-D Solid。因橡膠護舷上設置有吊掛鏈條來承受防衝板重力,所以在建模時對材料的密度可忽略不計,且對本體性能不會產生影響 [3] 。整個橡膠護舷有限元模型如圖 2 所示。

2.3 邊界條件

橡膠胎體靠近碼頭一側設置為麵固結,防衝板與法蘭盤、法蘭盤與橡膠胎體之間均采用接觸連接,如圖 3~6 所示。接觸連接隻傳遞壓力和摩擦力,而不傳遞拉力。

3 荷載施加及荷載工況

根據船型、水位及靠泊方式的不同,荷載工況共分為以下 3 種:

1) 工況 1:整個前麵板承受均布荷載,此工況對應於較大噸級船舶靠泊時,船體和防衝板麵板完全接觸的情形。A1700 橡膠護舷達到 54%設計壓縮變形時,單個橡膠胎體反力 R 為 1 288 kN(標準反力型),此時施加在前麵板上的均布荷載值 P 可由下式求得:

P=2RA( 3 )式中:A 為防衝板的受荷載區域麵積 (m 2 )。

計算時取 R=1 288 kN,A=6.46 m×2.27 m=14.664 2 m 2 。根據式(3)計算求解得 P=175.66 kPa。

2) 工況 2:護舷上沿承受水平條形均布荷載,此工況對應於有凸出條形船幫的小船撞擊到護舷上沿時的情形。在實際船舶靠泊過程中,當護舷上沿受到條形船幫撞擊時,防衝板繞護舷下沿轉動,當防衝板轉動一定角度時,板的下沿也與船幫平坦部分接觸。反力主要由上邊護舷產生,當護舷達到 54%設計壓縮變形時,橡膠胎體反力 R為 1 288 kN (標準反力型)。船幫突出部分寬度為0.15 m,因隻有此突出部分與防衝板接觸,所以由此接觸所產生的擠壓力均布荷載計算寬度為0.15 m。該工況下的均布荷載值 P 由下式求得:

P= RA( 4 )式中:A 為防衝板所受條形荷載區域麵積(m 2 )。計算時取 R=1 288 kN,A=2.27 m×0.15 m=0.340 5 m 2 。根據式(4)計算求解得 P=3 782 kPa。

3) 工況 3:護舷中部承受水平向條形均布荷載,此工況對應於有凸出條形船幫的小船撞擊到護舷中部時的情況。反力由上下胎體同時產生,該工況下的均布荷載值 P 可由式 (3) 求得,計算結果為 P = 7 565 kPa。