搁置脚载荷作用下的甲板压力分布特征实验和数值分析

1,徐志亭2,王福花2,王德禹1熊群飞 1 200240上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海2 200011中国船舶及海洋工程设计研究院,上海

Chinese Journal of Ship Research - - NEWS -

摘 要:[目的]船舶上装载物的搁置脚与甲板之间存在着复杂的接触关系,不能简单地将搁置脚载荷视作均布载荷来处理。为探讨在搁置脚载荷作用下船舶甲板结构的压力分布,[方法]以某大型装备的搁置脚为例,首先采用有限元方法对其进行非线性接触数值计算,并分析在甲板板上的压力分布特征。然后,通过实验验证搁置架与甲板的接触力分布规律,并在此基础上提出一种运用等效轮印载荷代替搁置脚载荷的简化计算方法,以此将复杂的非线性接触计算转化为线弹性计算。[结果]结果表明,搁置脚与甲板之间的接触力主要分布在强横25%;实梁处和搁置脚前端,其中搁置脚前端的接触力使甲板板具有较大应力,该应力约占总载荷的 验结果与数值计算结果吻合较好。[结论]所提简化计算方法对此类甲板设计及强度计算具有较好的实用性。关键词:搁置脚;轮印载荷;甲板;非线性接触;压力分布;简化计算方法

Experiment and numerical analyses for pressure distribution on deck under undercarriage load

XIONG Qunfei1,XU Zhiting2,WANG Fuhua2,WANG Deyu1 1 School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China 2 Marine Design and Research Institute of China,Shanghai 200011,China Abstract:[Objectives]Complex contact takes place between a deck and the undercarriage of equipment. The undercarriage load cannot simply be regarded as a uniform load. In order to investigate the pressure distribution between a deck and undercarriage,[Methods] the nonlinear contact calculation of the undercarriage of a large piece of equipment is made using the finite element method,and the pressure distribution characteristics of the deck are analyzed. The distribution of the contact force is then verified through experiment. On this basis,a calculation method for replacing the undercarriage load with the equivalent wheel load is proposed which converts complex nonlinear contact calculation into linear elasticity calculation.[Results]It is found that the contact force is mainly distributed on the web beam and the front of the undercarriage,and the latter exerts great stress on the deck. The contact force of the front end of the undercarriage is about 25% that of the total load. The experimental results are in good agreement with the numerical results.[Conclusions]This simplified calculation method is practicable in deck design and strength analysis for similar kinds of ship. Key words:undercarriage; wheel load; deck; nonlinear contact analysis; pressure distribution; simplified calculation method

0引言

舰船甲板上通常会装载物资、轮式车辆和其他类型装备,这些载荷在计算甲板强度时通常被当作轮印载荷来处理,确定其大小对在此情况下的甲板结构设计有着非常重要的意义。国内学者对轮印载荷作用下的甲板结构有较多的研究。张文强和刘俊[1]研究了多轮印载荷作用下车辆甲板板厚的设计方法;彭兴宁和徐向东[2]利用有限元程序对甲板的非线性响应进行计算,给出了轮印载荷作用下甲板结构的设计图谱;刘聪等[3]研究了轮印载荷在加筋板上的分布以及加筋板面板的初始缺陷、加强筋高度以及加筋板面板厚度对轮印载荷分布的影响,并进行了实验验证。此外,对于车辆甲板、飞行甲板等的设计在劳氏军用规范、中国船级社规范等[4-8]中也都有规定。由上述研究成果和规范来看,它们一般将车辆作用在甲板上的轮印载荷视作接触面积内的均布压力来处理。本文所分析的某大型装备通常由数个铝合金材质的搁置脚搁置在舰船甲板上,其承受的重量大,与甲板之间存在着复杂的非线性接触,且两者之间的接触面积较大,其纵向尺寸与纵骨的跨距相当,横向尺寸与纵骨的间距也相当,故计算时不能将搁置脚载荷等效为均布压力来处理。目前,针对承受此类载荷的甲板结构强度的研究较少,曾鸣和郑朝斌等[9-11]对搁置脚与甲板结构的非线性接触力进行了计算,并与采用均布载荷直接加载在甲板板上的线弹性计算结果进行了比较,结果表明,两者差别很大。而船级社的相关规范对这种甲板并不适用,故有必要对搁置脚与甲板进行非线性接触分析,并对有限元分析结果进行实验验证,以找到搁置脚载荷的作用特征。本文将采用非线性接触方法分析搁置脚作用在板格上时甲板的压力分布特征,以找到甲板板应力最大时搁置脚的作用位置。同时,根据有限元分析结果,设计一个缩尺模型实验装置。然后,采用薄膜式压力传感器测量搁置脚在甲板上不同位置时的压力分布,并与有限元计算结果进行比较分析,以得到搁置脚载荷在甲板板和强横梁上的分配关系。在此基础上,提出一种运用等效轮印载荷代替搁置脚载荷的简化计算方法。

1 非线性数值分析 1.1 接触问题概述

接触问题在工程技术中十分常见,与一般的 力学问题相比,其难点主要是接触力学表面的不确定性,两个接触体间的接触面积和压力分布随着外载荷的变化而变化,部分边界条件也随着加载过程发生不可逆的改变,故接触问题实质上是由边界条件的可变性和不可逆性产生的边界非线性问题,若再考虑材料和几何的非线性,将更加复杂。现代工程中的接触问题一般采用数值方法来求解。ABAQUS本文采用 软件计算接触力,通过ABAQUS/Standard Newton-Raphson使用 法来求解非线性问题。具体求解过程如下:首先,假设接触状态和可能的接触区域;然后,按这些状态所对应的边界条件,根据两个接触体间的面积和压力分布随着外载荷变化的特点来建立方程并求解;最后,计算结果应满足假定接触状态对应的判定条件,否则,需要修改接触状态继续求解,直至满足相应的判定条件为止。上述计算是一个迭代求解的过程。

1.2 计算模型

用于接触计算的有限元模型包括搁置脚模型和甲板模型。搁置脚模型为楔形前端的铝合金箱形结构,内部由横向和纵向隔板来支撑,单元类S4R 8mm型为 壳单元,网格尺寸为 ,材料的弹性1模量 E = 72 GPa ,泊松比 μ = 0.33 ,如图 所示。甲板模型由甲板板、强横梁、纵桁、纵骨、支柱等S4R组成,均采用 壳单元模拟,整体网格尺寸为50 mm,并在与搁置脚接触区加密为10 mm,甲板材料为钢材,弹性模量E = 210 GPa ,泊松比 μ = 0.3 。 2研究中,将上述 个模型装配在一起,并在搁置脚底部和甲板板之间建立接触对。接触对由1 1个主面和 个从面组成。由于甲板的刚度、面积和单元尺寸较大,故本文将甲板板作为主面,搁置10脚底面作为从面,主、从面的网格尺寸分别为8mm和 ,两者相差较小,符合接触计算的要求。主、从面的接触属性定义如下:法向作用定义为硬Coulomb friction接触,切向采用库伦摩擦模型( model)。考虑到甲板涂层材料的影响,本文定义0.45。的钢和铝合金的摩擦系数为

Fig.1 图1 隐去顶板的搁置脚模型The undercarriage model with hidden roof

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