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船舶跳板的有限元分析

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      跳板是船舶与码头连接的桥梁,在滚装船、客滚船及车辆运输船中应用极为广泛。在船舶设计建造中,跳板通常由设备厂商直接供货,但也会遇到制造厂要求船舶设计方直接提供跳板设计方案的情况。跳板设计需要考虑结构布置、构件尺寸以及眼板和销轴配合等诸多因素。本文以海口-海安线客滚船的跳板设计为例,对船舶设计中遇到的跳板结构设计问题进行有限元分析的阐述。
      跳板按照其用途一般可分为车辆跳板和旅客跳板,为满足旅客和车辆上下船的需要,海口—海安线客滚船设置首、尾车辆跳板及尾部旅客跳板,大大提高装卸车辆及人员通行的效率。
      跳板采用钢质焊接结构,跳板收起后与船体外壳平齐,跳板与船体以铰链连接,跳板接岸处设置小跳板并与主跳板以铰链连接。
      依据中国船级社《钢质海船入级规范(2012)》中有关要求,对跳板的强度和刚度进行校核。采用MSC.PATRAN和NASTRAN软件对跳板进行有限元建模分析。跳板连接船舶和码头的两端,为保证载荷向首尾有效传递,跳板结构形式采用纵骨架式,并设置足够的横向结构,见图。
      对于车辆跳板,载荷相对比较集中,而载荷位置存在不确定性,因此应保证结构的连续性,以确保不同部位都能够承受相应载荷。
      跳板端部的铰链应设置在跳板纵向强构件处。由于销轴较长,因此对于纵向强构件布置间距的选取,既要考虑满足结构强度的要求,又要保证构件之间留有足够的间距,以便轴销的插取,对跳板进行后期的维护保养。此外,跳板上表面应布置适当防滑条。当跳板同时作为首尾门时,跳板底板厚度应不小于相应位置的外板厚度。对于紧固装置部位应做相应加强结构,确保其有足够强度。
      由于首、尾车辆跳板结构尺寸、结构形式及受力相同,本文仅对旅客跳板和尾部车辆跳板进行详述。有限元模型见图2~图3。
      计算状态:跳板水平放置。
      设计载荷:
      1)旅客,85 kg/人,10人/m2计算,动载荷安全系数取2.50。
      2)跳板自重载荷,g=9.81 N/kg。
      由于人员流动连续性,设计载荷以均布形式施加在跳板上表面,并考虑极端情况下旅客布满跳板。
      计算状态:跳板水平放置,所有车轮与跳板保持有效接触。
      设计载荷:
      1)以重型半挂车为计算依据,取单轴设计负荷Ps=24 t,动载荷安全系数取1.10。
      2)跳板自重载荷,g=9.81 N/kg。
      设计载荷施加时,应根据车辆装载情况,选取可能出现的最大货车轮压载荷,以面载荷形式施加,受力面积应不超过车辆轮印面积,载荷施加位置位于跳板强肋板之间强度较弱位置处,并且在计算中选取车辆行驶在跳板三个典型位置分别进行加载。


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