大型坞门的有限元静力特性分析

　　船坞是用于建造或检修船舶的水工建筑物, 主要形式有干船坞和浮船坞. 其中, 干船坞的三面接陆一面临水, 由坞口、坞室和坞首等部分组成. 坞口设有挡水坞门, 当船舶进入干船坞修理时, 首先用灌泄水设施向坞内充水, 待坞内与坞外水位齐平时, 打开坞门, 利用牵引设备将船舶慢速牵入坞内, 然后将坞内水体抽干,使船舶坐落于龙骨墩上. 坞门的尺寸一般比较大, 结构和受力均较复杂, 传统的计算方法只能将空间体系简化为平面体系. 这种简化方法将整个坞门结构分割成若干个单个构件, 将外载荷按照经验分配给各个构件,然后对每个构件按平面力系进行分析. 简化方法忽略了坞门结构的整体性, 计算结果在一些部位可能过于保守, 而在另一些关键部位又可能安全裕度不够, 从而造成整个结构的不安全[1].

　　采用有限元分析方法是目前大型金属结构进行应力、变形分析的主要手段之一. 本文中作者应用有限元软件 ANSYS 计算某大型坞门在校核工况下的约束反力、变形和应力, 为坞门设计提供参考.

　　1 坞门的计算条件

　　a. 坞门结构布置. 某方箱形浮箱式大型坞门是由面板、纵横隔板和实腹式纵横梁组成的空间结构, 在主体高度上被上、中、下甲板和底板分为 3层, 在主体长度上完全对称且被等间距布置的 53 根加强肋分为 54 段(含端板、舱板). 船坞孔口净宽 102 m, 坞门结构尺寸( 主体结构轴线尺寸) 为105.3 m×12 m×11.6 m. 坞门纵横梁采用型钢, 截面有 T 形和 L 形 2 种, 通过焊接与面板连接. 坞门内部设有固定压载舱、压载水舱、潮汐舱、泵阀舱、吊装通道和人行通道. 对称面一侧坞门的结构简图如图 1 所示.

　　b. 坞门挡水校核工况. 坞门在非挡水状态下浮于水中, 在挡水状态下由坞首侧墙和底槛三边支承. 坞门临水侧为长江侧百年一遇洪水位 5.20 m, 计入风浪( 风速 25.4 m / s, 吹程 2 km). 本文主要分析坞门在挡水状态下的静力特性, 不考虑开启或关闭时的动态工况.

　　c. 坞门材料. 坞门结构的主材料为 Q235! B, 弹性模量为 210 GPa, 密度为 7.85 ×10-6kg/ mm3, 泊松比为0.3; 屈服极限为 235 MPa, 许用正应力和许用切应力分别为 160 MPa 和 95 MPa[2]; 主要板材厚度为 12 ～14 mm.

　　d. 坞门载荷. 坞门主要受水压力作用, 水压力为沿 y 方向呈线性分布, 潮汐舱水位与长江侧水位相同;压载水舱满舱, 下部压载舱压力约为 0.033 MPa, 方向向下; 底板承受向上的水压力为 0.116 MPa.

　　e. 坞门约束. 坞门在其两端和底部的止水处受到约束, 根据坞门受力情况分别在端部施加 y、z 方向的位移约束, 底部施加 x、z 方向的位移约束, 中间对称面上施加对称约束.