耙吸式挖泥船的泥艙晃蕩載荷及其效應分析

王浩欽 吳劍國（浙江工業大學 建筑工程學院 杭州310014）

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耙吸式挖泥船的泥艙晃蕩載荷及其效應分析

王浩欽 吳劍國
（浙江工業大學 建筑工程學院 杭州310014）

［摘 要］耙吸挖泥船具有泥艙長且寬、泥漿密度大等特點，存在泥漿晃蕩現象。文章參照BV規范，對17 000 m3耙吸挖泥船的晃蕩載荷特性以及晃蕩工況與常規工況下泥艙結構的應力進行分析和對比，發現在特定情況下泥漿晃蕩將使主甲板及橫艙壁的最大應力增大200%左右，并使內殼及強框架等的應力增大15%～50%，從而對船體結構產生較大影響。

［關鍵詞］晃蕩；耙吸式挖泥船；泥艙；BV規范

吳劍國（1963-），男，教授，研究方向：船舶結構設計。

引 言

一般來說，裝載具有流性物質的船舶在航行過程中均可能產生晃蕩［1］。在某些條件下，晃蕩引起的沖擊載荷是很大的，晃蕩載荷對結構的影響不容忽視，比如VLCC、LNG、LPG 等液貨船的設計已考慮液艙晃蕩載荷的作用。耙吸挖泥船是一種從事航道疏浚的船型，具有泥艙長而寬、泥漿密度大等特點，因此，泥漿晃蕩載荷及其對挖泥船結構產生影響是業界關心的問題。

晃蕩問題是典型的流固耦合問題，是一種非常復雜的流體運動現象，具有高度的非線性和隨機性［2］。影響液艙晃蕩的因素有很多，如外界的激勵頻率、艙室的幾何形狀及尺寸、內部構件、液體充裝高度、液體屬性等。當液艙形狀確定時，艙內流體的共振頻率主要取決于艙內的載液深度。液艙在外界激勵下通常會產生四種不同的晃蕩波，即駐波、行波、水躍及三者的組合。

液艙晃蕩的研究方法，不外乎理論分析、數值計算和實驗研究三類［3］。目前國內外均有計算晃蕩載荷的相關規范，CCS的《液艙晃蕩載荷及構件尺寸評估指南》將晃蕩載荷分成三種水平的晃蕩力，其中水平1和水平2的晃蕩力根據公式計算，而水平3晃蕩力需要建模計算［4］，而BV的《鋼質海船入級規范》［5］將晃蕩載荷分成四種不同性質的力，力學概念較為清楚，并給出相應計算公式而無需建模計算，應用較為方便，故本文參考BV規范對晃蕩載荷進行分析。

本文以一艘17 000 m3耙吸式挖泥船為例，研究晃蕩載荷的特性以及泥艙晃蕩對船體結構的影響。

1 計算模型

本文選取該船FR52 至FR177 范圍內的船體進行泥艙段有限元強度計算及分析，結構尺寸采用船舶建造厚度，外板、強框架、縱桁、艙壁采用4節點板殼單元模擬，骨材和面板上的加強筋用梁單元模擬，主尺度如表 1所示，艙段模型如圖 1所示。模型前后兩個端面的邊界條件、舷外靜水壓力和波浪水動壓力均按照CCS《油船結構直接計算分析指南》確定。其他載荷包括：抽艙油缸載荷、泥門油缸載荷、船中吊機載荷、泥管重、泥泵重力、端面彎矩等均按裝載手冊。

表1　17 000 m3耙吸式挖泥船主尺度

2 泥漿晃蕩載荷

本文按照BV的《鋼質海船入級規范》計算船體正浮狀態下晃蕩載荷。該規范將晃蕩載荷分解成靜水力、慣性力、晃蕩力和沖擊力四種力進行計算。在液艙晃蕩的過程中，液體的共振是一個不可忽視的問題。按照BV規范，當部分裝載液艙的裝載深度在0.1H＜dF＜0.95H時，泥艙晃蕩需要考慮共振的影響。經過BV公式的計算，隨著裝載深度的變化，本船在縱搖和橫搖狀態下均有產生共振的風險。由于液面的尺寸對晃蕩載荷的大小具有重要影響，而挖泥船泥艙的長度遠大于寬度，縱搖引起的晃蕩效應遠大于橫搖，故本文以船體正浮狀態下縱搖共振為例對晃蕩載荷進行計算分析。

圖 1 17 000 m3耙吸式挖泥船中橫剖面

圖 2 17 000 m3耙吸式挖泥船泥艙段模型

2.1 靜水力

靜水力由重力產生，計算公式為：

2.2 慣性力

慣性力計算公式為：式中：lB為液貨艙縱向長度，m；加速度aX、aY、aZ分量參考值，詳見《鋼質海船入級規范》。

2.3 晃蕩力

認為晃蕩力PSL作用于橫艙壁上，范圍是裝載液面線向上0.2dF至向下0.2dF之間，如圖 3（陰影部分）所示。

圖 3 晃蕩力作用范圍

晃蕩力計算公式如下（kN/m2）：

式中：參數α、參考力P0（kN/m2），詳見《鋼質海船入級規范》。

2.4 沖擊力

船身正浮狀態時，考慮最不利情況認為液體運動產生的動態沖擊力作用范圍為：從艙頂與橫艙壁交線豎直向下延伸0.15H的橫艙壁上，以及從艙頂與橫艙壁交線沿艙頂方向延伸0.3lC（lC為艙長）。計算公式如下：

式中：幅角AP（rad）、周期TP（s）、加速度α（rad/ s2），以及其他相關參數詳見《鋼質海船入級規范》。

根據以上計算公式，代入挖泥船的相關參數，可以算出所有的晃蕩載荷，現以泥艙后端橫艙壁處為例，給出裝載率在20%和80%時，晃蕩載荷沿裝載液面高度的變化趨勢，坐標定義如圖 1所示，計算結果如圖 4、圖 5所示。

圖4　晃蕩載荷沿高度變化趨勢（20%裝載率）

圖 5 晃蕩載荷沿高度變化趨勢（80%裝載率）

從圖中可知：

（1）慣性力分布與靜水力相似，隨著距液面的深度增加而增大，但在液面處不為零。

（2）作用在裝載液面上下0.2dF范圍內的晃蕩力，其液面處的最大值與最大慣性力相當。

（3）當裝載率較小（如20%裝載率）時，可不考慮該沖擊力。當裝載率較大（如80%裝載率）時，艙室頂部靠近兩端橫艙壁處作用有較大的沖擊力，其值大約是最大靜水壓力的3倍。

將晃蕩載荷各個分量沿高度疊加起來可得到總晃蕩載荷，總晃蕩載荷與靜水力和慣性力的對比如圖6、圖7所示。

圖6　載荷對比（20%裝載率）

圖7　載荷對比（80%裝載率）

從圖中可以看出：

（1）當裝載液面較低（如20%裝載率）時，不存在沖擊力，僅在液面附近產生晃蕩力，液面處的總晃蕩載荷同最大靜水力與慣性力之和相當。

（2）當裝載液面較高（如80%裝載率）時，在液面至艙頂范圍內產生較大沖擊力，此處的總晃蕩載荷約為最大靜水力加慣性力之和的2～3倍。

3 對結構的影響

本文研究泥艙晃蕩對船體結構強度的影響，由于泥艙滿載時不出現晃蕩現象，作為對比研究，應考慮以下兩種工況：

（1）泥艙裝載80%的泥漿不考慮晃蕩的常規載荷工況；

（2）泥艙裝載80%的泥漿考慮晃蕩載荷工況。工況說明如表 2所示。

表2　工況說明

經MSC.Nastran計算，挖泥船在常規工況和晃蕩工況下各部位最大Mises應力及相應位置見表3。

表3　應力計算結果

從表3可以看出：在考慮晃蕩荷載的情況下，內外底板的Mises應力有所減小，而船體其余部位的應力都增大了。其中主甲板、橫艙壁增大較多，最大應力增大200%左右；內殼、外舷側應力增大較小，為50%左右；而強框架最大應力只增大15%。部分應力云圖如圖8-圖11所示：

圖8　外底板（晃蕩工況）

圖9　主甲板（晃蕩工況）

圖11　橫艙壁（晃蕩工況）

4 結 論

通過對17 000 m3耙吸式挖泥船在常規工況和晃蕩工況下的對比分析，發現特定條件下泥艙晃蕩引起的晃蕩載荷大大增加了船體甲板、縱橫艙壁等處的應力水平，對船體結構的安全產生較大影響。其中，由于晃蕩在泥艙兩端頂部引起較大的沖擊力，使主甲板、橫艙壁上部應力增大較多，最大應力增大200%左右，應引起注意，對此處結構適當加強；此外，內殼、外舷側的最大應力產生50%左右的增幅，而強框架最大應力只增大15%。由此可見，泥漿晃蕩對挖泥船結構的影響不容忽視。

［參考文獻］

［1］ 楊亞東. 耙吸挖泥船的結構設計特點［J］. 船舶， 2010 （4）：20-23.

［2］ 陸晟，鄒康. 16 000 m3LNG船液艙晃蕩載荷分析［J］.船舶設計通訊， 2012（z1）：1-3.

［3］ 劉新立. 船載液體晃蕩載荷特性研究［D］. 武漢：武漢理工大學，2009.

［4］ 中國船級社. 液艙晃蕩載荷及構件尺寸評估指南［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［5］ BV. Rules for the Classification of Steel Ships. Part B Hull and Stability（Part B2）［R］. 2003：27-32.

Sloshing load of mud tank on trial suction dredger and its effect

WANG Hao-qin WU Jian-guo
(College of Architectural & Civil Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:The sloshing phenomenon occurs in the trailing suction dredger which has a long and wide mud tank filled with large density of mud. This paper analyzes the sloshing load characteristics of a 17 000 m3trailing suction dredger referring to the BV rules, and compares the stress of the mud tank structure between the sloshing load condition and conventional load condition. It is found that the maximum stress of the main deck and the transverse bulkhead is increased by about 200%, while the stress of the inner hull and strong frame is increased by 15% ～ 50% due to the sloshing of mud. Therefore, the mud sloshing has the significant impact on the hull structure.

Keywords:sloshing; trailing suction dredger; mud tank; BV rules

［作者簡介］王浩欽（1990-），男，碩士，研究方向：船舶結構設計。

［收稿日期］2015-06-25；［修回日期］2015-11-02

［基金項目］浙江省重大科技專項社會發展項目：17 000立方耙吸式工程船設計建造關鍵技術研究（編號：2013C03032）。

［中圖分類號］U661.43

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）01-0059-05