两鼓一板橡胶护舷防冲板的有限元分析

- 2019-07-05-

摘要:应用 ADINA 有限元分析软件,对鼓型橡胶护舷防冲板的应力分布及变形趋势进行分析研究。通过模拟靠泊时经常出现的 3 种工况,得到了防冲板的受力结果有效应力图和变形图。并与传统计算方法相比较,为码头橡胶护舷防冲板的结构设计及优化提供了较可靠的参考依据。

关键词:鼓型橡胶护舷;ADINA;有限元;结构设计

鼓型橡胶护舷具有变形距离大、单位反力吸收能量高、倾斜压缩性能变化小等优点;护舷前沿设有防冲板,能极大地降低作用于船舶傍板的面压力;防冲板上安装的 PE 贴面板,能减小船舶与护舷之间的摩擦力,极大地降低船舶靠泊时的剪切力。鼓型橡胶护舷的这些特点,使其在大中型码头及建筑物的防冲体系中具有较强的适用性。

在港口的整体营运系统中,码头防冲体系是港口功能顺利运行的重要保障。橡胶护舷作为码头防冲体系的主要部分,其性能的好坏将直接对船舶的安全及高效靠泊产生影响,它担负着船舶与码头结构之间力的传递的媒介作用。船舶靠泊时所伴随的巨大撞击力和挤靠力需要通过橡胶护舷吸能缓冲后,再传递到码头结构上,避免码头结构直接承受船舶的刚性荷载,从而减小船舶靠泊时对码头结构的破坏。但随着水运事业的发展,船舶吨级在不断增大,船舶靠泊时所伴随的巨大水平力作用对护舷系统提出了更高的性能要求,某些非常规的靠泊方式也使护舷系统的安全使用面临考验。

护舷系统安全高效的使用,是港方和船方都迫切希望的,也是较高的码头作业率的保证。目前国内的橡胶护舷设计理念是早期橡胶护舷规格较小时提出的,而随着船舶大型化及码头结构的轻型化,现有的橡胶护舷设计理念已不适应现在广泛使用的大型橡胶护舷。针对橡胶护舷实际使用过程中出现的问题,对其受力及工作原理进行分析研究是有必要的。

1 工程概况

两鼓一板型橡胶护舷,从结构组成上来看,包括两个护舷本体、钢结构防冲板以及相应的锚固构件。其结构特征在于:护舷本体由鼓型橡胶胎体和分别固定在鼓型橡胶胎体两端面上的第一法兰盘和第二法兰盘构成;第一法兰盘位于钢结构防冲板内,并通过锚固螺栓与钢结构防冲板锚固在一起;第二法兰盘通过锚固螺栓直接固定在码头结构上。在钢结构防冲板的外端面上固定有PE 贴面板以减小防冲板与船体之间的摩擦系数 [1] 。图 1 为 A1700 鼓型橡胶护舷防冲板的正视图与侧视图。

根据对某港口护舷系统的使用状况调查后发现,该港口橡胶护舷的防冲板发生变形或明显变形的比例高达 74.5%;其中发生明显变形的比例达 14.5%,具体表现为两侧边板 (中间吊耳下方)撞击变形明显。发生这些破坏变形的直接可视原因主要是:

1) 个别内河沿海两用的船舶在船舷的外侧有一条凸出的棱体,当船舶靠泊时,船体与橡胶护舷的防冲板只是在凸出棱体上发生线接触,这样受力不均便会导致防冲板的破坏变形;

2) 有些船舶的船尾及船首部分的船体呈“U”形,当靠泊时船体只是与防冲板的顶端做线接触,这样也会导致受力不均;

3) 当靠泊的船舶吨位较小或靠泊时处于低水位,船体就无法与整个防冲板接触,而只是与防冲板的下半部分接触,这种情况的靠泊方式也会引起防冲板的受力不均;

4) 有时船舶靠泊时的船舶轴线并未与码头前沿线平行,这样船体可能会首先与某个单独的橡胶护舷发生点接触,这时橡胶护舷受到的作用力就会远大于设计值,发生破坏的可能性大大增加。

2 有限元计算模型

2.1 理论依据

有限元静力学分析的过程一般分为以下几步[2] :

1) 虚功原理,建立单元节点力与单元节点位移的函数关系,即:

F e =K e ×δ e ( 1 )

式中:F e 为单元节点力列阵;K e 为单元刚度矩阵;

δ e 为单元节点位移列阵。

2) 按静力等效原则把每个单元所受的载荷向节点移置,并求和,从而得到结构的等效载荷列阵 F p 。

3) 根据每一个节点相关单元组集结构的总刚度矩阵 K,并建立整个结构的平衡方程:

F=K×δ ( 2 )

该平衡方程是一个线性方程组,其方程的个数等于结构自由度数,即结构的节点数乘以节点的自由度数。再引入结构的约束信息,消除结构

总体刚度矩阵 K 的奇异性后,便可由该线性方程组解出未知的节点位移 δ。

4) 根据已知的节点位移,计算各单元的应力。有限元解的正确性与合理建立有限元模型、正确处理边界条件和约束信息都紧密相关。

2.2 有限元模型的建立及单元划分采用大型通用有限元软件 ADINA,按照三维空间结构建立有限元模型。在建立有限元模型时,对橡胶护舷系统进行了一定的简化:去除了防冲板顶部的折弯部分,以及两侧的吊耳环,这样的简化并不会对防冲板的受力变形结果产生影响,但能一定程度减小建模难度以及分析研究过程。


在遵循模拟结果可靠的前提下,这种适当的简化是可以接受的,并且适当的简化在有限元分析中经常用到。以整个橡胶护舷为研究对象,模型包括以下 3 部分:

1) 防冲板模型:前面板 2.27 m×6.46 m×0.01 m,横肋板 2.27 m×0.23 m×0.01 m,纵肋板 6.46 m×0.23 m×0.01 m,后加强板 6.46 m×0.10 m×0.01 m;材料选用 Isotorpic Linear ElasticMaterial,其中弹性模量 E=2.06×10 11 kN/m 2 ,泊松比 μ=0.3,单元类型为 SHELL;

2) 橡胶胎体模型:外直径 1.70 m,内直径 1.06 m,长度 1.60 m,材料选用 Odgen Material,单元类型为 3-D Solid。

3) 法兰盘模型:外直径 2.10 m,内直径 1.06 m,厚度 0.05 m,材料选用 Isotorpic Linear Elastic Material,其中弹性模量 E=2.06×10 11 kN/m 2 ,泊松比 μ=0.3,单元类型为 3-D Solid。因橡胶护舷上设置有吊挂链条来承受防冲板重力,所以在建模时对材料的密度可忽略不计,且对本体性能不会产生影响 [3] 。整个橡胶护舷有限元模型如图 2 所示。

2.3 边界条件

橡胶胎体靠近码头一侧设置为面固结,防冲板与法兰盘、法兰盘与橡胶胎体之间均采用接触连接,如图 3~6 所示。接触连接只传递压力和摩擦力,而不传递拉力。

3 荷载施加及荷载工况

根据船型、水位及靠泊方式的不同,荷载工况共分为以下 3 种:

1) 工况 1:整个前面板承受均布荷载,此工况对应于较大吨级船舶靠泊时,船体和防冲板面板完全接触的情形。A1700 橡胶护舷达到 54%设计压缩变形时,单个橡胶胎体反力 R 为 1 288 kN(标准反力型),此时施加在前面板上的均布荷载值 P 可由下式求得:

P=2RA( 3 )式中:A 为防冲板的受荷载区域面积 (m 2 )。

计算时取 R=1 288 kN,A=6.46 m×2.27 m=14.664 2 m 2 。根据式(3)计算求解得 P=175.66 kPa。

2) 工况 2:护舷上沿承受水平条形均布荷载,此工况对应于有凸出条形船帮的小船撞击到护舷上沿时的情形。在实际船舶靠泊过程中,当护舷上沿受到条形船帮撞击时,防冲板绕护舷下沿转动,当防冲板转动一定角度时,板的下沿也与船帮平坦部分接触。反力主要由上边护舷产生,当护舷达到 54%设计压缩变形时,橡胶胎体反力 R为 1 288 kN (标准反力型)。船帮突出部分宽度为0.15 m,因只有此突出部分与防冲板接触,所以由此接触所产生的挤压力均布荷载计算宽度为0.15 m。该工况下的均布荷载值 P 由下式求得:

P= RA( 4 )式中:A 为防冲板所受条形荷载区域面积(m 2 )。计算时取 R=1 288 kN,A=2.27 m×0.15 m=0.340 5 m 2 。根据式(4)计算求解得 P=3 782 kPa。

3) 工况 3:护舷中部承受水平向条形均布荷载,此工况对应于有凸出条形船帮的小船撞击到护舷中部时的情况。反力由上下胎体同时产生,该工况下的均布荷载值 P 可由式 (3) 求得,计算结果为 P = 7 565 kPa。