組合式挖泥船結構強度

焦云然， 王 偉， 俞伊姍， 宋月林

(1．浙江海洋大學 船舶與機電工程學院, 浙江 舟山 316022； 2. 浙江新樂造船股份有限公司， 浙江 寧波315048)

0 引 言

我國海域廣闊，江河湖庫縱橫，擁有豐富的水利資源，基于港口航道治理、水利設施維護、礦砂開采等事業，疏浚業已成為中國經濟建設的重要行業。挖泥船作為重要的疏浚設備，市場需求越來越高[1]。目前，工程使用的挖泥船以耙吸式和鉸吸式為主，相比于耙吸式，鉸吸式挖泥船用途廣泛，幾乎適用于所有土質[2-3]，且經濟性好，能夠同時實現物料挖掘和輸送。不同于常規的挖泥船，組合式挖泥船由幾個獨立的箱體連接而成，可以在水運不通的水域間來回運輸，同時也極大地方便了船體的維修和保養，甚至可通過更換破損箱體來延長使用壽命，在內河水域有廣闊市場。

組合式鉸吸挖泥船有著不同于常規船型的結構特點[4]，其艏部的大開口以及安裝在船體間的連接會對船體結構產生很大的影響，因此，對于這類船舶，必須采用合適的方法對其結構強度進行研究。本文建立組合式鉸吸挖泥船整船模型，并用合理的方式模擬各箱體間的連接方式，利用大型商用有限元軟件MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN分析該船的結構強度[5-6]。

1 船體模型

1.1 主要參數及結構形式

組合式鉸吸挖泥船總長50.40 m，型寬8.18 m，型深2.60 m，設計吃水為1.20 m，主船體由8個尺寸相同的箱體通過快速插銷連接而成，每個箱體長16.80 m，寬2.70 m，高2.60 m，為單殼、單底結構，箱體的布置如圖1所示。

圖1 浮箱布置圖

1.2 有限元模型

由于組合式鉸吸挖泥船不同于其他常規船型的結構特點，為了能更好地反映全船的結構強度，尤其是連接部位的強度，本文有限元建模采用全船模型，有限元模型如圖2所示。對組合式挖泥船而言，各浮箱間的連接是整體的關鍵，因此，選擇合理的方式來模擬連接裝置對其結構強度研究是至關重要的。船體8個浮箱采用快速插銷連接，本文采用梁單元模擬插銷連桿，然后用多點約束(Multi-Point Constraint， MPC)形式與船體相連，如圖3和圖4所示。平面抗扭架與1、2號箱體，1、4號箱體及2、4號箱體間的重磅法蘭板用螺栓連接，螺栓采用梁單元模擬，如圖5和圖6所示。

圖2 全船有限元模型

圖3 箱體連接插銷處MPC有限元模型

圖4 箱體連接裝置連桿有限元模型

圖5 平面抗扭架與1、2號箱體螺栓有限元模型

圖6 1、4號箱體間重磅法蘭板螺栓有限元模型

2 邊界條件及計算工況

2.1 邊界條件

本文采用整船模型進行結構強度分析，為了消除船體的剛體位移，采用3點約束，在船體艏艉節點設置約束條件，其中，艉端點限制縱向、橫向和垂向位移，左舷艏端點限制橫向和垂向位移，右舷艏端點限制垂向位移。

2.2 計算工況

考慮波浪對船體的影響，結合穩性計算資料，本文計算了吸泥船絞刀架在平放懸吊、15 m挖深、30 m挖深等3種狀態下的4種工況。計算結果表明：3種狀態下，船體及箱體連接裝置的應力結果總體相差不大，因此，本文選取15 m挖深下的4種工況進行說明。

(1) 作業工況1：全部燃料及備品，中拱狀態；

(2) 作業工況2：全部燃料及備品，中垂狀態；

(3) 作業工況3：10%燃料及備品，中拱狀態；

(4) 作業工況4：10%燃料及備品，中垂狀態。

3 載荷計算及施加

有限元模型的載荷包括舷外水壓、作業載荷和結構重量等3部分。

舷外水壓根據計算工況船舶處于平衡狀態時的設計波面確定[7]，按壓力分布施加到模型濕表面各單元上。設計波等效為余弦波，波長等于船長，波高he為

he=aw×(29 593 m-120.89L+

0.223 21L2)×10-4=1.44 m

(1)

式中：L為船長，50.40 m；aw為航區波高修正系數，B級航區，取系數aw=0.6。

舷外水壓為

(2)

式中：ρw為淡水密度，取1.0 t/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2；d為設計吃水，1.20 m；x為計算點至坐標原點水平距離，m；z為計算點至基線的垂向距離，m。

由于本船未設置儲存泥沙艙，吸上來的泥沙直接排到岸上或泥駁上，因此貨物載荷可以忽略不計。燃油及壓載水重量根據作業工況按壓力分布施加到對應的船體上。本文中結構重量考慮了船體自重、上層建筑重量、舾裝件重量及鉸刀架、機架重量。船體自重取鋼料密度為7.85×10-9t/mm3，以重力加速度的形式施加。上層建筑及舾裝件重量均按質量點單元形式施加在對應的位置上。鉸刀架及機架上施加的力通過鉸刀架、機架有限元模型約束反力求得，以建立MPC的形式施加在模型上。

4 計算結果及應力分析變化

4.1 總縱強度

通過全船有限元計算分析，該組合式吸泥船各構件的計算值都低于許用值，強度滿足規范要求，各工況下全船模型應力值如表1所示，以工況1為例的計算云圖如圖7～圖18所示。根據有限元分析，發現4個工況下，全船應力最大點均出現在船中箱體連接處。在波浪中拱(工況1、3)下，應力最大點在1、3號箱體連接處，而在波浪中垂(工況2、4)下，出現在5、8號箱體連接處。

表1 各構件應力計算匯總 MPa

圖7 主甲板、外底板、舷側外板、縱艙壁σe云圖

圖8 主甲板、外底板、舷側外板、縱艙壁σ1云圖

圖9 主甲板、外底板、舷側外板、縱艙壁τ云圖

圖10 甲板縱桁、龍骨腹板最大σe云圖

圖11 甲板縱桁、龍骨腹板σ1云圖

圖12 甲板縱桁、龍骨腹板τ云圖

圖13 甲板縱桁、龍骨面板σz云圖

圖14 橫艙壁σe云圖

圖15 橫艙壁τ云圖

圖16 強橫梁、強肋骨、實肋板腹板σe云圖

圖17 強橫梁、強肋骨、實肋板腹板τ云圖

圖18 強橫梁、強肋骨、實肋板面板σz云圖

4.2 連接裝置

對組合式鉸吸挖泥船而言，各浮箱間的連接是整體的關鍵，通過有限元計算得到4種工況下各連接裝置的最大應力值，如表2所示，圖19～圖24為工況4下的應力云圖。由圖19和圖20可看出：插銷上下兩端均受到較大的力，說明箱體間采用插銷的形式連接可以將力分散到上下兩端，使連接裝置受力更加合理。

表2 各連接件裝置應力計算匯總 MPa

圖19 箱體連接裝置最大σz云圖 圖20 箱體連接裝置τ云圖

圖21 平面抗扭架與1、2號箱體連接螺栓σz云圖

圖22 平面抗扭架與1、2號箱體連接螺栓τ云圖

圖23 1、4號箱體間重磅法蘭板連接螺栓σz云圖

圖24 1、4號箱體間重磅法蘭板連接螺栓τ云圖

5 結 論

本文利用大型商用有限元軟件MSC/PA-TRAN、MSC/NASTRAN對組合式挖泥船的總縱強度及箱體間的連接裝置進行有限元分析，分析計算表明：

(1) 通過全船有限元直接結算，本船15 m挖深4種工況下各構架的最大應力都在材料的許用范圍以內，且存在較大的富余，滿足強度要求。

(2) 絞刀平放懸吊、15 m挖深、30 m挖深等3種狀態下，有限元應力分析結果相差不大，說明對本船而言，絞刀的工作狀況不是影響其結構強度的主要因素。

(3) 在4種工況下，本船的應力最大點均出現在船中的箱體連接插銷處，船體的中拱最大點位于船體首部1、3和2、5號箱體連接處，而中垂時位于尾部5、8和3、6號箱體連接處。

(4) 平面抗扭架及重磅法蘭連接處應力很小。

本船快速連接插銷結構簡單，操作流程方便，船體可分解運輸、組合，使其在內陸水域清淤疏浚具有廣泛推廣前景。采用上下兩處遠端連接，相比于傳統隼接形式只有靠近甲板端受力的情況，插銷型式能將力更好地分解到上下兩端，使連接件的受力更加合理。本船的計算分析可為今后同類型船舶的設計提供參考。

[1] 姚佶.挖泥船的分類與發展研究[J].科技風,2012(7):228.

[2] 章文倬，付宗國，于宏斌.挖泥船與疏浚業發展現狀與研究[J].機械工程師,2017(6):53-55.

[3] 劉曉鵬.絞吸式挖泥船的結構強度評估研究和標準化探討[D].上海：上海交通大學,2009.

[4] 何炎平，馮長遠，顧敏童，等.“天鯨號”大型自航絞吸式挖泥船[J].船舶工程，2009，31(5)：1-5.

[5] 殷曉劍，程國祥，陸新林.350 t拼裝式浮箱工程船結構強度分析研究[J].船舶標準化工程師, 2017,50(1):21-27.

[6] 陶鵬，丁金鴻，楊啟，等.超大型樁定位式抓斗挖泥船結構強度研究[J].艦船科學技術, 2016,38(3):32-36.

[7] 中國船級社.鋼質內河船舶建造規范[S].北京：人民交通出版社，2016.