载运履带式车辆装备的船舶局部强度校核

陈益平,张勇 300161陆军军事交通学院,天津

Chinese Journal of Ship Research - - NEWS -

摘 要:[目的]为提高载运履带式车辆装备的船舶局部强度校核的准确性,减少因承载过重而导致船舶变形甚至断裂的情况发生,实现军事装备的安全运输,[方法]对装备航运过程中的受力(包括重力、系固力、惯性力、波溅力、风压力以及摩擦力)进行分析,结合船舶甲板板架结构的特点,考虑船体腐蚀所带来的不利影响,利用工程力学原理,对船舶局部强度校核方法进行修正。[结果]得出了稳性校核和强度校核修正公式。[结论]实例验证发现,修正公式计算的精确度大于未修正的校核公式,能有效避免船舶事故的发生,可为民船载运履带式车辆装备提供技术参考。关键词:局部强度;强度校核;履带式车辆;板架结构;腐蚀

Local strength checking of ships for loading of tracked vehicles

Abstract:[Objectives]In order to improve the accuracy of local strength checking of ships for loading tracked vehicles,reduce the occurrence of ship deformation or even fractures caused by heavy loads,and realize the safe transportation of heavy military equipment,[Methods] the various forces (including gravity,securing force,inertial force,wave force,wind pressure and friction) of a tracked vehicle are analyzed. Combining the characteristic grillage structure of ship decks and considering the adverse effects of corrosion on ship hulls,an improved method for local strength checking is proposed,and correction formulae for stability checking and strength checking obtained using engineering mechanics.[Results] Through the validation of examples,it is found that the accuracy of the correction formulae is greater than that of the uncorrected formula.[Conclusions]The application of such correction formulae to the strength checking of ships may effectively prevent accidents,thus providing valuable technical references for the transport of tracked vehicles by merchant ship. Key words:local strength;strength checking;tracked vehicle;grillage structure;corrosion

0引言 CHEN Yiping,ZHANG Yong Army Military Transportation University,Tianjin 300161,China

随着科学技术的进步以及机械化和信息化能力的提升,军事装备正朝着大型化、重型化的方向发展。在战时及特殊情况下,利用民船运输重型 军事装备已成为水路军事运输的主要方式之一。1965 Caldwell [ ]自 年 1 开始计算船体梁的极限强度以来,船体结构极限强度的研究取得了相当大的进展。国外学者们在加筋板、船体板架和船体梁极限强度的分析计算理论与计算方法等方面进行

了大量研究,取得了相当可观的研究成果。国内对局部强度的研究起步较晚,但是发展迅速。中CCS国船级社( )最新的《钢制海船设计与建造规范》船体分册中已经有了关于重货加强的规定,其要求逐渐与世界接轨。甲板局部强度校核包括稳ANSYS性校核,吴广明[2]采用 软件进行了板架整体欧拉应力的求解,对甲板板架稳定性进行了计算。现阶段,局部强度计算方法有经验公式法、利用有限元计算的方法、解析法、位移法和能量法等。其中:经验公式法采用传统的校核公式,但是该方法过于笼统、简单;而后面几种方法则比较复杂,船员不容易进行操作计算。沈华[3]和王启友[4]从力学方面入手建立船舶稳性和局部强度校核模型,提高了校核计算的精确性。本文将在沈华和王启友研究的基础上,考虑货物系固以及波溅力、风压力、摩擦力所带来的影响,赋予货物航运过程中的最差条件,使装备对承载点的实际载荷达到最大,并在这些条件下修正校核公式,从而使校核更加精准。

1 局部强度传统校核方法

船舶的某些结构或构件抵抗局部变形或破坏的能力,称为局部强度[5]。船舶承载部位一般包括甲板、内底板以及舱口盖等处,船舶在装载过程中,需要考虑这些承载部位能否承载货物而不发生变形或失稳,尤其是重大件货物(国际标准为单40t 12m 3m6 [ ]重超 ,单长超 ,高度或宽度超 )。船载履带式车辆装备是典型的重大件货物,传统的局部强度校核方法为[7]:P  ' ' P 或P  P 。其中: d d ' ' Pd和 P 分别表示均布载荷和集中载荷;P和 P d分别表示均布载荷和集中载荷的许用值。将实际载荷与装载部位许用载荷进行比较,得出能否装载的结论,从这里可以看出该方法计算简单快捷,对一般船员来说易于上手,但这种校核比较粗糙。在实际运输过程中,货物会受到多种力的作用,需要更加精确的校核。

2 履带式装备的受力情况 2.1 一根绑索产生的系固力

假设一根破断强度为 BS 的绑索系固于履带式车辆装备,则该系固件的最大系固负荷MSL为[8] 1 MSL = BS·δ ( ) 1[9]。式中,δ 为系固设备系数,详见表考虑到装备系固布置中可能存在受力不均匀/系固水平高或其他因素,应取适当的安全系数 来折减最大系固负荷,所以该系固件的系固力 F的大小为

(2) F = MSL ε = BS· δε 2所示[10]。式中,ε为安全系数,其一般选取原则如表 设某系固件(即绑索)系固于履带式车辆装备(本文将其简化为一个长方体,以便于计算)高为h处,所成角度有垂直系固角 α ,水平系固角 β , 1 3如图 所示,则系固力F可以分解为 个分力: (3) Fx = F cos α sin β (4) Fy = F cos α cos β (5) F = F sin α z 由于 Fz 对承载部位的作用力向下,所以增加了装备与承载部位的摩擦力,该摩擦力能使 Fx 和Fy 都增大,增加的这部分摩擦力 ∆f 以及增大后的 Fx 和 Fy 分别为: (6) ∆f = μF = μF sin α z (7) ' Fx = F (μ sin α + cos α sin β) (8) ' F =F ( μ sin α + cos α cos β) y

2.2 CSS规则惯性力

在中国船级社编制的《货物系固手册编制指则(CSS南》以及《货物积载与系固安全操作规 规

案》11 [ ]则)修正 加速度表中,都有涉及惯性力的计算方法。履带式车辆装备在船舶航运过程中会受到纵向惯性力 Fax、横向惯性力 Fay和垂向惯性力Faz [12]: Fax = ma (9) max Fay = (10) may Faz = (11) z式中:m 为履带式车辆的质量;ax ,ay 和 az 分别为纵向惯性基本加速度、横向惯性基本加速度和垂向惯性基本加速度,m/s(2 2)。图 当船长与航速在表中没有对应的数值时,可用式(15)进行计算: - 1 034.5 k = 0.345v + 58.62Ls 15 ( ) 1 Ls L s2为航速,kn;Ls 为船长,m。式中:v

2.3 波溅力和风压力

当履带式车辆装备装载在露天甲板上时,要

2图 所给出的基本加速度值基于以下条件: 1)在无限航区全年运营; 2)25天为一个航次; 3)船长为100 m; 4)服务航速为15 kn; 5) B s/GM  13 ,其中,Bs 为船宽,GM 为初0 0稳性高度。

100 m、航速也不等于15 kn假如在船长不是 3的情况下,就要对上述 个基本加速度进行修正,修正后惯性力的表达式为: (12) F′ = mk a ax 1 x (13) F′ = mk k a aya 1 1 2 z y 14 F′ = mk a ( )式中:k1为与船长和航速有关的修正系数(具体数3);k值见表 为 船 舶 稳 性 修 正 系 数 ,当2 4)。B /GM < 13时需进行修正(具体数值见表s 0 考虑波溅力 Fs 和风压力 F 。w (16) Fs = P s·As (17) F = P ·A w w w式中:As 为履带式车辆装备侧向波溅面积,且根据《货物系固手册编制指南》的规定仅考虑高于露2m天甲板或舱口 以下范围内的面积,m2 ;A 为w履带式车辆装备的侧向投影面积,m2 ;Ps 和 Pw 5根据船舶航行的航区进行取值[13] (表 )。

2.4 摩擦力

履带式车辆装备放置在甲板上,接触部分会产生摩擦力,该摩擦力的表达式为:

图1 一根绑索的系固力Fig.1 Securing force of a lashing wire

图2基本加速度值Fig.2 Basic acceleration

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