淺談耙吸挖泥船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

陳曙梅 汪戰(zhàn)軍 楊東亞

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

耙吸挖泥船是一種靈活、穩(wěn)定、效率高、應(yīng)用范圍廣的工程船，在我國(guó)航道疏浚與沿海吹填等工程中發(fā)揮了很大作用。從2005年以來(lái)，已有一大批大型耙吸挖泥船相繼建造并投入使用，這些船主要由七○八研究所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使中國(guó)制造的大型耙吸挖泥船接近國(guó)際先進(jìn)水平［1］。

較之常規(guī)船型，耙吸挖泥船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，與其他專(zhuān)業(yè)的配合也更為緊密，而船級(jí)社對(duì)結(jié)構(gòu)剛性的要求通常也高于常規(guī)船。耙吸挖泥船的船體結(jié)構(gòu)重量一般占空船重量的一半以上［2］，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化對(duì)減輕重量、提高運(yùn)行效率有重要意義。大型耙吸挖泥船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，本文僅從總強(qiáng)度校核的角度出發(fā)，以萬(wàn)方級(jí)別的耙吸挖泥船為例，剖析了大型耙吸挖泥船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方向。

1 萬(wàn)方級(jí)耙吸挖泥船的總強(qiáng)度校核及結(jié)果

該船主尺度如下:

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2009》，船舶主尺度比值不滿足規(guī)范要求，波浪彎矩和剪力需直接計(jì)算［3］。

本船符合主流大型耙吸挖泥船設(shè)計(jì)，在船中設(shè)置開(kāi)敞泥艙，泥艙長(zhǎng)度約占船長(zhǎng)的45%。船中0.4L范圍為FR 52～FR 121， 泥艙范圍為FR 52～FR 130，泥艙內(nèi)設(shè)置20個(gè)泥門(mén)，2個(gè)溢流筒，底部設(shè)置箱形龍骨。

耙吸挖泥船的校核工況分為航行工況和作業(yè)工況。作業(yè)工況為沿海航區(qū)，可按照規(guī)范，將波浪彎矩和剪力進(jìn)行一定的折減。表1給出了萬(wàn)方級(jí)耙吸挖泥船的典型工況。

表1 萬(wàn)方級(jí)耙吸挖泥船典型裝載和工況

選取5個(gè)典型剖面進(jìn)行總強(qiáng)度校核，其中FR 35、FR 145分別為艉部和艏部船底為橫骨架式的剖面；FR 52、FR 130為泥艙前后端壁，也是全船靜水切力最大處；MS為泥艙段典型剖面。剖面構(gòu)件的計(jì)入原則嚴(yán)格遵守中國(guó)船級(jí)社 《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2009第二分冊(cè)》的要求。

總強(qiáng)度的校核結(jié)果如下所示。

1.1 彎曲強(qiáng)度校核

見(jiàn)圖1、圖2，分別為航行工況和作業(yè)工況下的許用靜水彎矩和實(shí)際靜水彎矩的比較。

1.2 剪切強(qiáng)度校核

見(jiàn)圖3、圖4，分別為航行工況和作業(yè)工況下的許用靜水剪力和實(shí)際靜水剪力的比較。

表2給出了各剖面實(shí)際彎矩剪力與許用彎矩剪力比值（利用系數(shù)）的匯總表。

表2 各剖面靜水彎矩和剪力利用系數(shù)匯總表

1.3 屈曲強(qiáng)度的校核

見(jiàn)表 3～表 5。

表3 受壓板格屈曲強(qiáng)度校核

表4 受剪板格屈曲強(qiáng)度校核

表5 受壓縱骨的屈曲強(qiáng)度校核

2 結(jié)果分析

根據(jù)總強(qiáng)度的校核結(jié)果，可知該耙吸挖泥船的總強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，且彎矩及剪力均有足夠儲(chǔ)備。

經(jīng)過(guò)幾年的優(yōu)化，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的大耙船結(jié)構(gòu)重量與空船重量之比已逐步下降。從本船的總強(qiáng)度校核來(lái)看，該船的結(jié)構(gòu)仍有優(yōu)化空間，結(jié)構(gòu)重量還可以進(jìn)一步降低。結(jié)構(gòu)重量的降低，有利于減輕空船重量，可保證和提高裝載量，對(duì)大耙船有直接經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，導(dǎo)致總強(qiáng)度儲(chǔ)備較國(guó)外設(shè)計(jì)同類(lèi)船型較大的原因很多，諸如國(guó)內(nèi)船東對(duì)使用壽命的期望值、設(shè)計(jì)初期的彎矩剪力估算、高強(qiáng)度鋼的使用比例以及與船體相連的疏浚設(shè)備重量控制等。

本文從船體強(qiáng)度的角度出發(fā)，根據(jù)船體各部分受力方式的不同，將船體結(jié)構(gòu)分成三部分來(lái)討論其優(yōu)化設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

2.1 船中0.4L的泥艙結(jié)構(gòu)

泥艙結(jié)構(gòu)是耙吸挖泥船重要的組成部分，用來(lái)裝載約占排水量2/3的泥漿，底部設(shè)置了泥門(mén)，可以迅速卸泥。泥艙在一天經(jīng)歷的裝、卸泥次數(shù)多達(dá)8～10次，泥艙結(jié)構(gòu)的主要受力見(jiàn)表6。

表6 泥艙段結(jié)構(gòu)的受力

從該處的靜水彎矩和剪力可知，該處的彎矩在船中達(dá)到最大，而剪力最小。因此剪切強(qiáng)度不是該處考慮的重點(diǎn)，如何保證該處結(jié)構(gòu)的縱向抗彎能力是主要問(wèn)題。由于泥艙為開(kāi)敞形式，甲板有大開(kāi)口，而底部又有泥門(mén)開(kāi)口，若提高抗彎剛度，應(yīng)選取較大的泥艙甲板和船底板厚度，泥艙甲板一般采用高強(qiáng)度鋼。因其承受的垂向剪力較小，可以考慮在保證局部強(qiáng)度和橫向強(qiáng)度的前提下，盡量不增加垂向構(gòu)件的尺寸，如外板、泥艙縱壁等。泥艙段多為中垂?fàn)顟B(tài)，更多考慮中和軸以上受壓構(gòu)件的屈曲強(qiáng)度。

2.2 泥艙前后端壁附近結(jié)構(gòu)

泥艙前后端壁附近結(jié)構(gòu)連接了泥漿艙與前后設(shè)備艙，同時(shí)有管系從這里穿過(guò)。艙壁附近的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)見(jiàn)下頁(yè)表7。

表7 泥艙前后端壁附近結(jié)構(gòu)的受力

泥艙前后端壁處部分結(jié)構(gòu)仍在0.4L范圍內(nèi)，但縱向彎矩比船中減少很多，而剪力在此處達(dá)到峰值，剪切強(qiáng)度為該處考慮的重點(diǎn)。因此，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可從適當(dāng)降低抗彎剛度入手，而垂向構(gòu)件的尺寸尤其是舷側(cè)外板，應(yīng)比船中大些，以提高抗剪能力。在實(shí)際應(yīng)用中，泥艙前后端壁處多為剖面發(fā)生突變處，如大開(kāi)口結(jié)束處等，是否減小甲板和船底板的厚度還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。以本船為例，前后端壁附近考慮剪切而增加了舷側(cè)外板的厚度，但為保證局部強(qiáng)度及縱向連續(xù)，甲板及船底板不能減薄，因此出現(xiàn)了該處剖面模數(shù)較中剖面模數(shù)大的現(xiàn)象。

值得一提的是，泥艙內(nèi)離開(kāi)前后端壁一定距離后，剪力仍較大，建議舷側(cè)外板的加厚范圍前后應(yīng)不小于 0.04L（船長(zhǎng)）。

2.3 離泥艙段較遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)

泥艙段前后多為設(shè)備艙，即機(jī)艙、電機(jī)艙（輔設(shè)備艙）、泥泵艙等，該處線型逐漸變化，雙層底的形式也大多由縱骨架式逐漸過(guò)渡到橫骨架式。該處結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)見(jiàn)表8。

表8 泥艙以外結(jié)構(gòu)的受力

該處結(jié)構(gòu)承受的縱向彎矩和垂向剪力都避開(kāi)了峰值，但要考慮局部強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度。該處的橫骨架式對(duì)板格的屈曲不利，尤其要注意船體內(nèi)部構(gòu)件，如內(nèi)平臺(tái)、雙層底的屈曲。為保證屈曲強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)降低該處的許用靜水彎矩。從總縱強(qiáng)度校核的結(jié)果來(lái)看，該處的許用彎曲應(yīng)力僅為80 MPa，僅為船中處設(shè)計(jì)應(yīng)力（175 MPa）的45.7%。

泥艙段以外的結(jié)構(gòu)，還要關(guān)注0.2L～0.3L和0.7L～0.85L處的單殼結(jié)構(gòu)。該處外板需要足夠的厚度，才能保證其剪切強(qiáng)度。還應(yīng)盡量保證各層甲板的縱壁上下對(duì)齊，改善整體結(jié)構(gòu)的抗剪能力。

機(jī)艙、舵機(jī)艙、首側(cè)推艙處的結(jié)構(gòu)，需更多考慮抗振性，及抗變形能力。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)總縱強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果，主要分析各部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向，可得出以下結(jié)論:不同部分的船體結(jié)構(gòu)根據(jù)承受載荷不同，可在滿足剛度和局部強(qiáng)度的同時(shí)，適當(dāng)減小某些位置的構(gòu)件尺寸。

（1）船體中部舷側(cè)外板可不必刻意加厚，泥艙甲板和船底板厚度應(yīng)予以保證；

（2）泥艙前后端壁附近結(jié)構(gòu)舷側(cè)外板加厚，加厚范圍不小于端壁前后0.04L（船長(zhǎng)）；

（3）其他部分的結(jié)構(gòu)在保證局部強(qiáng)度的前提下，橫骨架式部分的板格長(zhǎng)度不要過(guò)大，多用加筋的方式減小板格，改善屈曲強(qiáng)度；垂向艙壁盡量上下對(duì)齊，改善剪切強(qiáng)度。

以上結(jié)論僅從總縱強(qiáng)度角度出發(fā)得到。實(shí)際工程中，還應(yīng)綜合考慮各種影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素，并結(jié)合計(jì)算，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減輕重量的效果。

［1］紀(jì)凱.16888 m3耙吸挖泥船設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介［J］.上海造船，2007，72（04）:24-26.

［2］劉厚恕，王忠復(fù)，王忠賢，張?zhí)?大型耙吸挖泥船泥艙及其在我國(guó)的發(fā)展前景［C］.中國(guó)（上海）第一屆國(guó)際疏浚技術(shù)發(fā)展會(huì)議及展覽會(huì)大會(huì)論文集，2003.

［3］CCS.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［S］.2009.