系船柱接触有限元分析
摘 要：基于有限元计算方法，以重庆涪陵区滨江路龙王沱某旅游码头改扩建工程为依托，采用非线性理论建立三维系船柱结构仿真模型，在设计工况下对锚杆与混凝土、系船柱底座与混凝土之间进行接触分析和计算。通过对接触状态及接触部位的应力分布研究，得到系船柱底座及锚杆分布规律等主要结论。
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关键词：系船柱 非线性有限元法 接触分析
系船柱在码头建设中应用广泛，其作用是为船舶提供系锚点，承担系缆力。其结构可靠度对船舶停靠安全起至关重要的作用，特别是洪水期船舶的系缆力较大，如果系船柱不能安全工作，船舶在洪水的推动下将会对下游桥梁、坝体等产生严重威胁。但目前关于系船柱的计算文献较少，有必要对其进行进一步研究。本文基于ANSYS分析软件，采用非线性接触有限元法，建立了三维系船柱计算模型，研究系船柱应力应变状态以及锚杆与混凝土、系船柱底座与混凝土之间的接触应力应变分布规律。
1、模型建立
根据以上尺寸，利用ansys workbench DM模块建立系船柱三维实体模型图2及有限元格图3。
其中，有限元格节点数为56849，单元数256402。
2、边界条件及接触设置
本模型所受的荷载主要来自船舶的系缆力，按设计计算出的系缆力直接施加到有限元模型上，即为沿X方向1000KN。边界条件为桩底施加固端约束；桩身埋入土中，对其施加沿径向、轴向和切向的固定约束。接触设置：在底座与混凝土、锚杆与混凝土之间采用接触摩擦模型，摩擦系数为0.3，在锚底与混凝土之间采用接触绑定模型。
3、计算结果及分析
3.1主应力成果及分析
由第一主应力云图可知：在系船柱X正向产生压应力，应力最大值为17.07MPa；X负向产生拉应力，拉应力值为50MPa，局部区域拉应力值较大，最大接近71.14MPa，最大拉应力产生在系船柱X负向，约为71.14MPa。这与材料力学分应力分布基本相同。
3.2等效应力成果及分析
在等效应力图中，可以看到最大等效应力出现在系船柱X正向其值为65.46MPa，表明X正向更容易出现屈服现象，但本算例中的钢材的屈服应力远大于65.46MPa，固不会产生屈服。
3.3接触分析成果
a.接触主应力分析
由图6可以看出，在系船柱底板与混凝土桩接触过程中，系船柱沿X正向应力逐渐增大，最大值压应力出现在其边缘部分，大小为1.63MPa。锚杆与混凝土接触规律为：沿X正向，锚杆受力逐渐减小，最大拉应力出现在X负向，大小约为66MPa。产生这种规律的原因是当系船柱受到沿X正向的系缆力时产生X正向的应变，由于底端被锚杆和混凝土固定，系船柱将产生顺时的弯矩，在X负向，抗弯弯矩主要由锚杆提供，固X负向锚杆受拉。而在X正向，抗弯弯矩主要由混凝土提供，固锚杆应力几乎为零。
b.接触等效应力分析
由图7可以看出，屈服应力最大产生在X负向的锚杆上，大小约为70.42MPa。说明锚杆比系船柱更容易产生屈服。
结论
提供了有限元法计算系船柱的方法。得到了系船柱锚杆及系船柱底座的应力分布规律：系船柱底座沿X轴应力逐渐增大。锚杆沿X正向，应力逐渐减小，最大拉应力出现在X负向。比起系船柱来，系船锚杆更容易屈服，是系船柱设计的一个控制点。
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（作者单位：长江万州航道管理处）