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承船厢结构应力及变形空间有限元分析研究 |
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| 承船厢结构应力及变形空间有限元分析研究 |
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作者：佚名 文章来源：技术论文 点击数： 更新时间：2008-10-13 8:58:32  |
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挠度相对较小；而在承船厢端面有卧倒门部位，挠度大一些。在水压力、力矩绳和静力绳等主要荷载的共同作用下，主纵梁沿梁高度方向上横截面出现向承船厢内侧扭转变形，主纵梁上翼缘和下翼缘的相对扭转变形约6 mm；但在承船厢0号～4号主横梁的区域内上部和下部变形之差约4 mm，小于卧倒门端部变形。在船厢水满的情况下，靠承船厢端部，主纵梁横截面的上翼缘和下翼缘相对扭转变形接近8.3 mm。通过局部优化方案：在增加承船厢上下游的结构部位和卧倒门门框结构的刚度后，主纵梁的挠度(纵向相对变形)一般未超过8 mm，主纵梁上翼缘和下翼缘的相对扭转变形(横向相对变形)减小到5.13 mm。
4.1.2 主横梁的变形
主横梁的变形基本上符合凹形刚架的变形特点：主跨度部分产生垂直弯曲挠度并随主横梁在承船厢上下游的位置不同而变化。原设计的卧倒门槛中的10号主横梁，因截面减小，跨中的垂直挠度，要比1号主横梁的挠度大近一倍。修改设计后，各主横梁的垂直弯曲挠度值较小。在悬臂自由端部分主横梁断面高度降低，但悬臂自由端处的相对水平位移一般未超过5.00 mm。
4.1.3 卧倒门框的变形
不容许承船厢端面及卧倒门框的工作面变形过大是保证承船厢中实现对接和止水的重要控制条件。由于门框采用箱型结构，抗弯刚度比门槛中的主横梁要好得多，在水满条件下，其相对水平位移为5.72 mm，门框顶部的水平相对位移最大值为5.132 mm，正常升降时，端部最大倾角0.083 0°，满足设计要求。经优化增大了门框的刚度，在底部增加一段纵向格梁后，端部最大倾角为0.035 94°；卧倒门框端部的垂直直弯挠度为2.961 mm。门框顶部的水平相对位移为3.492 mm，完全满足对接时的止水要求。
4.2 结构应力分布情况
4.2.1 主横梁和门框应力
各凹形刚架式主横梁的水平段应力分布比较有规律：最大拉压应力的部位均出现在各水平段的跨中。在上翼缘(与铺板相连)一侧受压；在下翼缘一侧受拉。
原设计方案在全部主横梁中，+10号梁水平段跨中的应力最大，原因在于该梁不仅截面尺寸相对较小，而且在同一种容船水深条件下，该梁承担的载荷也相对较大。在承船厢水满条件下，最大正应力近85.93 MPa，正常水深为69.7 MPa；相比之下，门框和其它主横梁的最大正应力要小一些；正常水深在50 MPa左右，水满条件下在60 MPa。修改设计后，8号、9号、10号主横梁水平段和门框跨中应力值降低比较明显。
4.2.2 主纵梁、吊耳板和铺板应力
主纵梁的应力分布没有连续梁的特点。在正常升降情况下，主纵梁上的应力峰值，包括行人孔周边的应力峰值均较小。原因是主纵梁的高度大，各力矩绳和静力绳组之间的间距也不大，布置均匀，未产生明显的应力峰值。但在对角边力矩绳完全失效工况下，主纵梁产生-177.78 MPa的压应力，将不满足稳定条件(实际上不可能发生)。在力矩绳拉力正常的条件下，与铺板相连的吊耳板，及与力矩绳、静力绳相连的吊耳板上的局部应力均未超过70 MPa，仅在对角边力矩绳失效的特殊条件下，吊耳板出现150 MPa～161 MPa的应力峰值。
吊耳板与铺板相连部位，因有铺板影响，沿力矩绳方向的正应力与其第四强度理论折算应力相差很远，应考虑复杂应力状态；而与力矩绳相连的吊耳板，沿力矩绳方向的正应力，通常比其折算应力值高，表明在吊耳板与铺板相连部位的局部范围内，沿力矩绳方向的拉应力起主要作用。
U型铺板上的应力值较低。考虑铺板的稳定要求及纵向加肋小梁的加强作用，即使在双向受压，也能满足要求；但在沉船事故工况中，沉船部位附近铺板产生了相当大的应力峰值，经分析认为：与沉船荷载的假设条件有关。
4.3 力矩绳组拉力及其对结构应力和变形的影响
承船厢左右各设有8组力矩绳，每组力矩中绳由3根钢丝绳组成。有限元计算模拟了力矩绳组的瞬间不均匀性、左右力矩绳组吃力不均匀性、有4组力矩绳失效和各组力矩绳中有1根绳失效等不利情况。计算结果表明：各力矩绳组拉力的瞬间不均匀性较为明显；左右力矩绳组吃力不均匀性对主纵梁的应力和变形影响明显，对主横梁的应力影响很小；但各组力矩绳中有1根力矩绳失效对承船厢结构的整体应力和变形影响较小；而有4组力矩绳失效情况是不容许的。
从计算成果看，靠承船厢门框的1号、2号、7号、8号组力矩绳中各3根绳的瞬间拉力分布均匀性要比3号、4号、5号、6号力矩绳的瞬间拉力分布均匀性差，而3号、4号、5号和6号组力矩绳中的各单根缆绳拉力基本相等。在正常升降中，靠承船厢门框端部1号力矩绳的每根绳平均拉力为331.6 kN，而靠承船厢对称轴中部的4号力矩绳的每根绳平均拉力为217.8 kN；经过液压调平装置调整后的每根绳平均拉力应为260.5 kN。应该说明：液压调平装置的作用是使各组力矩绳之间的拉力趋于均匀，表明1号、2号、7号、8号组的拉力将减小，3号、4号、5号、6号组的拉力增加，而在吊点布置不变的条件下，卧倒门端部的变形将增大。
在各组力矩绳中有一根失效的不利情况下，该组其它2根力矩绳的拉力增大而对附近其它力矩绳组的拉力略有改变，较远处的力矩绳拉力改变不明显，表明瞬间的不均匀性影响仅仅在失效局部。连通装置可以进一步减小有1根力矩绳失效对结构应力的不利影响。
实际运行时，各组力矩绳的张力松紧不一。有限元计算模拟了对角四分之一力矩绳荷载与另一对角四分之一力矩绳荷载之比为1∶1.000～1∶1.687等7种情况。计算结果表明：左右力矩绳组吃力不均匀性对主纵梁的应力和变形影响明显，而对主横梁的应力影响很小。其规律为：随力矩绳吃力不均匀性的增加，承船厢出现倾斜并使其结构发生整体扭转，虽然卧倒门框相对变形不大，但由于承船厢整体扭转，卧倒门止水将出现失效。因此，实际运行中，应对力矩绳吃力的不均匀量值进行有效的控制，尽量保证力矩绳吃力均匀为好。
5 结论
通过空间有限元方法模拟与研究承船厢结构在各种工况条件下的变形趋势和应力分布特点，可以得到以下参考结论：
(1)各种正常运行状态下，承船厢结构的应力水平和变形量级应属允许范围。承船厢结构刚度是设计中的控制条件。
(2)力矩绳的作用位置和拉力均匀分布是保证承船厢结构完成正常动作的控制条件之一。从空间结构计算可以知道：在一定范围内，力矩绳拉力分布不均匀不会影响承船厢结构完成正常动作。
(3)由于主横梁、卧倒门框、U型铺板和单腹板式主纵梁形成有效的空间整体结构，整体上满足应力和变形、上游对接和承船厢结构下游出入水要求。
(4)力矩绳张力过度的不均匀和整组绳失效极端情况在运行中应力求避免。计算表明，承船厢在这种极端不利的工况组合下，将不能正常工作。
(5)若有1根力矩绳失效，拉力改变和应力增大的范围，在瞬间仅局限于相应的失效力矩绳的局部，对较远处的力矩绳组影响不明显。只要液压调平装置动作正常，可以消除力矩绳张力的不均匀性，仍然保证承船厢结构正常工作。
(6)主纵梁与吊耳板相连部位、主纵梁上行人孔周边均未出现异常的应力峰值情况，表明主纵梁与主横梁形成整体空间结构后受力和传力状态正常。
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