本发明属于承压舟
技术领域：
，具体涉及一种双体承压舟连接桥总横弯扭强度计算方法。
背景技术：
：双体承压舟于1985年研制成功并搭建浮桥，至今已历经30余年四代系列舟型的发展，第四代承压舟更是开启了重载车辆双向通行的实践应用。作为特种舟桥装备，双体承压舟既要在漂浮状态下联接使用，又要在浅滩、滩涂联接使用，外部载荷主要是车辆集中动载，其载荷特点、结构特点、使用特点明显区别于一般意义上的船舶。从实践应用来看，双体承压舟连接桥的总横弯曲强度和扭转强度(本发明将“弯曲强度和扭转强度”简称为“弯扭强度”)是需着力解决的问题，需要有针对双体承压舟特点的总横弯扭强度计算方法作为支撑。目前针对双体承压舟总横弯扭强度的研究较少。我国的船检规范直至2002年才出现了《双体船船体结构补充规定》，其后多次修订，但其考虑的外部载荷主要是波浪载荷，且船舶处于自由状态，并不符合承压舟的特点。邵杰等(承压舟浮桥结构的内力分析与探讨[J].钢结构,2009,06:25-27+43)通过对比使用船舶理论和桥梁理论对承压舟梁结构进行结构计算，此后随着计算机技术发展，部分学者采用有限元软件对承压舟结构强度进行研究。侯宇怀(浮桥-车辆耦合系统的动力学研究[D].济南大学,2009)基于弹性基础梁理论，将车辆分别简化为移动质量和移动的振动质量两种模型，分析了移动车辆载荷作用下带式承压舟的动力学响应和双体承压舟铰接承压舟在车辆载荷作用下的响应，分析得到承压舟受到车辆冲击载荷的最大铰接力值，将其加载到承压舟接头处，对双体承压舟铰接承压舟进行了静载荷作用下强度分析。姜玥(承压舟结构强度计算方法研究[D].哈尔滨工程大学,2010)采用有限元分析软件patran建模，确定动载荷系数，将车辆载荷等效为节点力，对承压舟结构强度进行了评估，采用现行通用的船体结构疲劳评估中的S-N曲线和疲劳累积损伤理论的疲劳强度校核方法，对关键部位进行了疲劳损伤和疲劳寿命计算。王楠等(高寒地区浮桥环境载荷与强度评估[J].武汉理工大学学报,2014,08:62-68)研究有限元法计算冰膨胀力原理，利用patran进行瞬态分析计算冰温度场分布，对高寒地区承压舟进行结构强度校核，重点研究了网格尺寸和载荷加载方式对有限元结果的影响，分析了不同荷载速度下承压舟动态放大系数。但到目前为止，均没有明确提出适合重载双向通行的双体承压舟连接桥总横弯扭强度的计算方法。技术实现要素：为解决上述技术问题，本发明提出一种符合双体承压舟特点的双体承压舟连接桥总横弯扭强度计算方法，综合考虑舟体之间相互影响、双体承压舟承受各种极端横弯横扭载况，对双体承压舟进行结构总强度的直接计算。本发明所采用的技术方案如下：双体承压舟连接桥总横弯扭强度计算方法，包括以下步骤：步骤1、建立三艘双体承压舟铰接结构系统的有限元模型，各双体承压舟之间采用多点约束模拟支耳与销轴的铰接连接作用；步骤2、针对双体承压舟的浮态工况和半落滩状态工况，设定有限元模型的边界条件；步骤3、针对作用于双体承压舟的车辆载荷数值和浮力施加数值，计算双体承压舟连接桥总横弯扭强度；步骤4、对计算出的双体承压舟连接桥总横弯扭强度进行衡准。优选地，步骤1所述的三艘双体承压舟铰接结构系统的有限元模型包括：船底结构、舷侧结构、甲板结构、连接桥结构以及纵舱壁、横舱壁。优选地，步骤1所述的采用多点约束模拟支耳与销轴的铰接连接作用的具体方法是，采用板梁组合模型的建模原则，单元选取应符合下述原则：A.甲板、舷侧外板、船底板、纵舱壁、横舱壁，用板壳元(四节点或三节点)模拟；B.强构件的腹板，用板壳元(四节点或三节点)模拟；C.纵骨、横梁、舱壁扶强材、支柱及强构件的面板，用梁元模拟；按照下述原则设定单元网格尺寸：D沿船长方向按不大于肋距划分单元，船宽方向按不大于纵骨间距或肋距尺寸划分单元，型深方向参照肋距或纵骨间距来划分单元；E.船底纵桁和肋板在腹板高度方向不少于3个单元，组合强框架在腹板高度方向不少于2个单元；F.板单元的长宽比不超过3，模型中尽可能少使用三角形板单元，在可能产生高应力或高应力梯度的区域内、板单元的长宽比接近1，并尽量避免使用三角形单元。优选地，所述的强构件包括强肋骨、旁龙骨、舷侧纵桁、甲板纵桁、甲板强横梁。双体承压舟在使用时会出现浮态、半落滩和落滩三种状态，浮态指双体承压舟底部均承受浮力作用，半落滩状态指双体承压舟一个片体承受浮力、另一片体底部坐滩承受沙土支持力，落滩状态指双体承压舟两个片体落滩承受沙土支持力。双体承压舟总横弯扭强度计算工况主要包括双体承压舟弯扭强度下最不利承载工况，此时主要考虑双体承压舟浮态和半落滩状态。优选地，步骤2所述的设定有限元模型的边界条件的方法是：针对双体承压舟的浮态工况，在有限元模型的两端外伸舷端部的一列节点上限制其纵向、横向和垂向自由度；针对双体承压舟的半落滩状态工况，在落滩片体船底节点上限制其垂向自由度，在有限元模型的两端外伸舷端部的一列节点上限制其纵向、横向和垂向自由度。双体承压舟上车辆通行方向是沿双体承压舟宽度方向，双体承压舟在使用时会出现部分片体落滩情况，考虑重载车辆通行作用于双体承压舟不同部位时双体承压舟承受各种极端载况，确定典型的计算工况进行计算。由于双体承压舟工作环境的缘故，其主要承受浮力和车辆载荷作用，计算时主要考虑车辆载荷和浮力的施加。优选地，步骤3所述的浮力施加数值的计算方法是：用均匀分布在船底表面节点上的垂向弹簧模拟双体承压舟承受的浮力变化，双体承压舟落滩舟体承受的河床作用力通过在落滩舟体底部施加Z方向自由度约束来模拟；所述的车辆载荷数值的计算方法是：确定挂车轴重分布情况，引入动载荷系数模拟车辆载荷的动态效应，将车辆载荷转化为静载荷进行计算。优选地，根据中国船级社颁布的《钢质内河船舶建造规范》双体船结构强度直接计算内容要求，步骤4所述的对双体承压舟连接桥总横弯扭强度进行衡准的具体方法是：对于双体承压舟连接桥结构，板单元采用中面应力、梁单元采用轴向应力，甲板、底封板及连接桥甲板强横梁、连接桥甲板纵桁的应力应不大于规定的许用应力；对于双体承压舟片体模型，板单元采用中面应力、梁单元采用轴向应力，按板梁组合模型计算得到的构件应力应不大于规定的许用应力。本发明的有益效果：本发明对双体承压舟连接桥总横弯扭强度进行直接计算，明确双体承压舟应力分布情况、明确双体承压舟结构承载能力，为双体承压舟结构设计和优化提供科学依据。附图说明图1是本发明的逻辑流程图；图2是大型载重挂车载荷参数示意图；图3是小型农用货车载荷参数示意图。具体实施方式下面结合附图，以某双向四车道双体承压舟为例，具体说明本发明的实施方式。双体承压舟连接桥总横弯扭强度计算方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1、建立三艘双体承压舟铰接结构系统的有限元模型，各双体承压舟之间采用多点约束模拟支耳与销轴的铰接连接作用。本实施例中，由12艘双体承压舟通过销耳-销轴铰接连接而成。用大型商用有限元软件MSC.Patran建立多船体有限元模型，各双体承压舟之间采用多点约束(multipointconstraint简称MPC)来模拟支耳的铰接作用。耦合自由度除了放开绕船长方向的转动外，其他方向自由度保持耦合，从而达到铰接连接的作用。板壳和主要构件腹板用板单元模拟，主要构件面板和普通构件用梁单元模拟。单元尺寸上，沿船宽方向按纵骨间距划分单元，网格大小为500mm；沿船长方向按肋骨间距划分单元，中部车辆通行区域网格大小为333.33mm，其他区域网格大小为500mm。强横梁作为主要受力构件，沿其腹板高度方向划分为6个单元，其他强构件沿腹板高度方向划分为3个单元。步骤2、针对双体承压舟的浮态工况和半落滩状态工况，设定有限元模型的边界条件。进行双体承压舟的浮态工况计算时，在有限元模型两端外伸舷端部的一列节点上限制其纵向、横向和垂向自由度，浮态工况计算所加约束如下表所示。计算工况位置/约束类型uxuyuz工况1-6模型前后两侧的外伸舷端部000其中，工况1的具体情况是：大车后车轮和小车集中在单个连接桥上，用于评估连接桥横弯强度。工况2的具体情况是：大车车轮和小车集中在承压舟连接桥两端的两个片体上，用于评估连接桥横弯和横扭强度。工况3的具体情况是：大车车轮和小车以中心对称的方式集中在承压舟两个片体上，且大车后车轮作用在外伸舷处，用于评估连接桥横扭强度。工况4的具体情况是：大车车轮和小车集中在承压舟连接部位两侧片体上，用于评估支耳-销子横扭强度。工况5的具体情况是：大车后车轮和小车集中在承压舟一个片体上，且大车后车轮作用在外伸舷处，用于评估连接桥横弯强度和支耳-销子剪切强度。工况6的具体情况是：大车车轮和小车以中心对称的方式集中在承压舟连接部位两侧片体上，且大车后车轮作用在外伸舷处，用于评估支耳-销子横扭强度。半落滩状态岸边片体底部接触河底，垂向位移受到限制，进行半落滩工况计算时，在落滩片体船底节点上限制其垂向自由度，另外在多船体承压舟计算模型两端外伸舷端部的一列节点上限制其纵向、横向和垂向自由度，半落滩工况计算所加约束如下表所示。工况7的具体情况是：双体承压舟一个片体落滩，车辆载荷主要集中在与其相邻的连接桥和另一个片体上，用于评估落滩片体的连接桥横弯强度。步骤3、针对作用于双体承压舟的车辆载荷数值和浮力施加数值，计算双体承压舟连接桥总横弯扭强度。选取双体承压舟的浮态工况(工况1-6)和半落滩工况(工况7)，模拟浮力作用的每个弹簧单元在Z向上的刚度K值为：公式中：B为单个片体宽度，m；L为计算船长，m；g为重力加速度，g＝9.81kg/m2；N为单个片体底部的节点数。双体承压舟设计有四个车道双向通行，中间两个车道设计为通行重载车辆，外侧两个车道设计通行小型农用货车。对双体承压舟进行结构强度计算时考虑中间车道通行六轴大载重挂车，载重挂车载荷参数如图2所示；考虑外侧通行小型农用货车，小型农用货车载荷参数如图3所示。通过实桥测试确定动载荷系数，将车辆载荷乘以动载荷系数转化为静载荷进行计算，由于车轮与甲板接触面积相对甲板面积很小，数值计算时把车辆载荷考虑为节点力施加到甲板上。考虑车辆载荷动态效应后，车辆轮压可按下式计算：公式中：T为车轴轴压，kN；n为单轴轮数；λ为动载系数，取1.2。采用有限元软件MSC.Nastran进行求解，求解各个工况下承压舟应力分布，工况1各构件应力计算结果如下表所示，各构件的应力值均小于许用应力，因此该计算工况1下船体结构强度满足要求。最大应力(MPa)许用应力(MPa)校核结果片体甲板板54.2165满足船体外板75.7165满足纵舱壁板37.7165满足横舱壁板136188满足片体甲板纵桁腹板40.5165满足片体甲板纵桁面板32.3155满足甲板纵骨54.3153满足片体甲板强横梁腹板126188满足片体甲板强横梁面板132175满足甲板普通横梁134188满足舷侧纵桁24.7141满足舱壁扶强材64.0200满足旁龙骨28.7128满足船底纵骨5.01141满足强肋骨104.0175满足普通肋骨18.1188满足支柱68.1100满足连接桥甲板板73.2195满足连接桥甲板纵桁腹板79.3195满足连接桥甲板纵桁面板92.1176满足连接桥甲板强横梁腹板156.0195满足连接桥甲板强横梁面板156.0176满足连接桥上底封板109.0195满足步骤4、对计算出的双体承压舟连接桥总横弯扭强度进行衡准。当前第1页1 2 3