快速裝配式絞吸挖泥船模塊化連接技術(shù)

張 俊，于國(guó)躍

（中交海洋工程船舶技術(shù)研究中心有限公司，上海 200125）

0 引言

隨著人類活動(dòng)干擾加劇，目前我國(guó)眾多湖泊都面臨不同程度的環(huán)境污染，水體富營(yíng)養(yǎng)化和生態(tài)系統(tǒng)退化等問(wèn)題顯著，引起了各級(jí)政府和社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。為了治理湖泊的污染問(wèn)題，一系列的綜合治理工程陸續(xù)開(kāi)展。湖泊的污染外源逐步地得到控制，但是湖底長(zhǎng)時(shí)間沉積的污泥，成為了湖泊水體污染不可忽視的內(nèi)部源頭。治理湖泊內(nèi)源污染最為有效的途徑是環(huán)保疏浚，把污染淤泥清除出去。隨著疏浚清淤工程不斷地開(kāi)展，配套的疏浚裝備的需求量也不斷增長(zhǎng)[1]。

對(duì)于水路運(yùn)輸不便的施工區(qū)域，現(xiàn)有的挖泥船多具有體積大、質(zhì)量大、無(wú)法拆解等情況，無(wú)法通過(guò)陸運(yùn)方式調(diào)遣。因此，為了完成湖泊的清淤綜合治理，適應(yīng)于湖泊施工的高效環(huán)保疏浚裝備存在較大缺口。

本文研究的快速裝配式絞吸挖泥船，在建造、調(diào)試完成后，可拆解成多個(gè)單元，采用公路運(yùn)輸方式，在施工區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝，解決湖泊疏浚施工裝備匱乏的情況。快速裝配式絞吸挖泥船模塊單元的大小和數(shù)量，可以根據(jù)當(dāng)?shù)剡\(yùn)輸和拼裝條件的限制，做定制化設(shè)計(jì)。同時(shí)，該船型具有高效、環(huán)保、精準(zhǔn)施工等特點(diǎn)。將會(huì)給湖泊的清淤綜合治理提供強(qiáng)有力的裝備支撐[2-3]。

1 船舶概況

快速裝配式絞吸挖泥船課題項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱“本船”），是1艘非自航、鋼質(zhì)、箱型組合式絞吸式挖泥船，主要用于內(nèi)河、湖泊水域內(nèi)的水利和環(huán)保疏浚工程。

其基本參數(shù)如下：總長(zhǎng)約43.41 m，浮箱長(zhǎng)34.50 m，型寬約9.02 m，型深約2.10 m。

本船主船體可分為7個(gè)浮箱模塊，浮箱模塊示意見(jiàn)圖2。浮箱模塊1對(duì)應(yīng)邊浮箱47～69（左）；浮箱模塊2對(duì)應(yīng)邊浮箱26～47（左）；浮箱模塊3對(duì)應(yīng)邊浮箱47～69（右）；浮箱模塊4對(duì)應(yīng)邊浮箱26～47（右）；浮箱模塊5對(duì)應(yīng)主浮箱；浮箱模塊6對(duì)應(yīng)尾部浮箱（左）；浮箱模塊7對(duì)應(yīng)尾部浮箱（右）。

2 各模塊間連接結(jié)構(gòu)

考慮現(xiàn)場(chǎng)施工和模塊連接便利性，模塊連接安裝順序?yàn)椋焊∠淠K5水平放置；浮箱模塊2、模塊4、模塊6、模塊7和模塊5連接；最后將浮箱模塊1、模塊3分別與浮箱模塊2、模塊4連接。

模塊間連接結(jié)構(gòu)主要采用2種連接形式：水線以上采用間隔150 mm～200 mm的M39螺栓連接，螺栓螺紋端側(cè)板使用厚板且兩側(cè)板總厚度大于螺栓長(zhǎng)度以保證水密，見(jiàn)圖3；水線以下在船底結(jié)構(gòu)設(shè)置卡扣結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4[4-5]。

2.1 浮箱模塊1、浮箱模塊3 分別與浮箱模塊2、浮箱模塊4 的連接結(jié)構(gòu)

浮箱模塊2、4主甲板高度與主船體保持一致為距基線2 460 mm；而浮箱模塊1、3主甲板高度降低到距基線1 880 mm。模塊間連接結(jié)構(gòu)采用典型的上部螺栓，下部卡扣結(jié)構(gòu)連接，見(jiàn)圖5。

2.2 浮箱模塊2、浮箱模塊4 分別與浮箱模塊5的連接結(jié)構(gòu)

浮箱模塊2、模塊4、模塊5主甲板高度均為距基線2 460 mm，可借用FR26和FR42錯(cuò)位處做縱向延伸板后用螺栓連接，見(jiàn)圖6。

2.3 浮箱模塊6、浮箱模塊7 分別與浮箱模塊5的連接結(jié)構(gòu)

浮箱模塊5、浮箱模塊6、浮箱模塊7主甲板高度均為距基線2 460 mm，可借用FR16橫向封板錯(cuò)位處做橫向延伸板后用螺栓連接，見(jiàn)圖7。

3 模塊連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

本船選取2個(gè)典型工況來(lái)校核模塊連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，分別是吊裝工況和100%補(bǔ)給品作業(yè)工況。

3.1 吊裝工況載荷計(jì)算

吊裝工況指的是，本船在陸地上組裝完畢后，整船吊裝至水里的工況。考慮極端情況下，吊耳均設(shè)置在浮箱模塊5上，其他模塊的質(zhì)量都依靠模塊間連接結(jié)構(gòu)承受。此時(shí)，各浮箱模塊質(zhì)量和質(zhì)量中心位置見(jiàn)表1。

表1 吊裝工況浮箱模塊質(zhì)量表

根據(jù)表1，可計(jì)算得到各浮箱模塊間連接結(jié)構(gòu)的剪力和彎矩，見(jiàn)表2。

表2 吊裝工況浮箱模塊間剪力和彎矩表

考慮螺栓組承受全部剪力，疊加彎矩，各浮箱模塊連接結(jié)構(gòu)間分配到單個(gè)螺栓的最大受力見(jiàn)表3。

表3 吊裝工況浮箱模塊間單螺栓最大受力表

考慮卡扣結(jié)構(gòu)承受全部剪力，疊加彎矩，各浮箱模塊連接結(jié)構(gòu)間單位長(zhǎng)度（單位：m）卡扣結(jié)構(gòu)的最大受力見(jiàn)表4。

表4 吊裝工況浮箱模塊間單位長(zhǎng)度（m）卡扣結(jié)構(gòu)受力表

3.2 100%補(bǔ)給品作業(yè)工況載荷計(jì)算

100%補(bǔ)給品作業(yè)工況下，各浮箱模塊質(zhì)量和質(zhì)量中心位置見(jiàn)表5，各浮箱模塊浮力和浮心位置見(jiàn)表6。

表5 100%補(bǔ)給品作業(yè)工況浮箱模塊質(zhì)量表

表6 100%補(bǔ)給品作業(yè)工況浮箱模塊浮力表

根據(jù)表5、表6，可計(jì)算得到各浮箱模塊間連接結(jié)構(gòu)的剪力和彎矩，見(jiàn)表7。

表7 100%補(bǔ)給品作業(yè)工況浮箱模塊間剪力和彎矩表

考慮螺栓組承受全部剪力，疊加彎矩，各浮箱模塊連接結(jié)構(gòu)間分配到單個(gè)螺栓的最大受力見(jiàn)表8。

表8 100%補(bǔ)給品作業(yè)工況浮箱模塊間單螺栓最大受力表

如可能，考慮卡扣結(jié)構(gòu)承受全部剪力，疊加彎矩，各浮箱模塊連接結(jié)構(gòu)間單位長(zhǎng)度（單位：m）卡扣結(jié)構(gòu)的最大受力參見(jiàn)表9。

表9 100%補(bǔ)給品作業(yè)工況浮箱模塊間單位長(zhǎng)度（單位：m）卡扣結(jié)構(gòu)受力表

3.3 螺栓校核

參考表3、表8，同時(shí)考慮到螺栓不承受壓力，當(dāng)螺栓受拉取值為負(fù)時(shí)，修改為0。可得到各浮箱模塊連接結(jié)構(gòu)間單螺栓的最大受力，見(jiàn)表10。

表10 各浮箱模塊連接結(jié)構(gòu)間單螺栓的最大受力表

3.3.1 剪力校核

模塊間剪力考慮由連接部位的摩擦力承載，模塊間連接接觸面噴砂處理，涂敷涂富鋅漆。連接螺栓規(guī)格取M39，8.8級(jí)。

單個(gè)螺栓承載最大剪力核算：

本文網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示,第1個(gè)卷積層采用卷積核64@2×2,第2個(gè)卷積層采用卷積核96@2×2,第3個(gè)卷積層采用卷積核128@2×2,池化層均采用均值池化大小為2×2。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)設(shè)定如下:batch=16,epoch=100,學(xué)習(xí)率λ=0.000 01,使用隨機(jī)梯度下降算法進(jìn)行優(yōu)化,交叉熵作為損失函數(shù)。本文對(duì)所有卷積層以及全連接層都施加了Dropout,卷積層采用Dropout比例為0.2,全連接層則為0.5。

式中：μ為摩擦系數(shù)；F'為預(yù)緊力，kN；kf為可靠性系數(shù)，取1.2。

根據(jù)式（1）計(jì)算得出R=135.2 kN＞最大剪力126.97 kN。滿足要求。

考慮螺栓拉力影響，選取浮箱模塊4～5吊裝工況進(jìn)行校核。R=131.4 kN＞113.8 kN，滿足要求。

3.3.2 拉力校核

螺栓只承載拉力，浮箱模塊3～4吊裝工況螺栓拉力最大，對(duì)此工況校核。

為保證連接件不松弛：F=67.89 kN<0.8F'=324.5 kN，滿足要求。

螺栓最大拉應(yīng)力：

式中：F0為螺栓所受最大拉伸力，N，包括預(yù)緊力和軸向拉力；d1為外螺紋小徑，mm。

根據(jù)式（1）計(jì)算得出σ1=234 MPa ＜[σ]=376 256 MPa，滿足要求。

3.4 卡扣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

參考表4、表9，考慮卡扣結(jié)構(gòu)的形式，Z向受力時(shí)總有一側(cè)受力時(shí)卡扣結(jié)構(gòu)將脫鉤，此時(shí)Z向受力取值為0。可得到各浮箱模塊連接結(jié)構(gòu)間單位長(zhǎng)度（單位：m）卡扣結(jié)構(gòu)的受力表，見(jiàn)表11。

表11 各浮箱模塊連接結(jié)構(gòu)間單位長(zhǎng)度（單位：m）卡扣結(jié)構(gòu)受力表

由表11可知，吊裝工況下浮箱模塊6～5間單位長(zhǎng)度卡扣結(jié)構(gòu)受力情況最為惡劣。選取此位置的卡扣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

模型中卡扣結(jié)構(gòu)采用六面體Solid單元來(lái)模擬，單元大小一般取為30 mm×30 mm×30 mm。選取卡扣結(jié)構(gòu)與船體結(jié)構(gòu)連接處為邊界，約束3向位移；同時(shí)將載荷以面載荷壓強(qiáng)的形式加載到實(shí)際作用面上。

如圖建立卡扣1、卡扣2的有限元模型，并添加邊界條件和載荷信息，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖12和圖13。

圖1 總布置圖

圖2 浮箱模塊示意圖

圖3 螺栓連接示意圖

圖4 卡扣結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 浮箱模塊1、3 與2、4 的連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 浮箱模塊2、浮箱模塊4 與浮箱模塊5 的連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 浮箱模塊6、浮箱模塊7 與浮箱模塊5 的連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 卡扣1 有限元模型

圖9 卡扣1 模型邊界條件和載荷

圖10 卡扣2 有限元模型

圖11 卡扣2 模型邊界條件和載荷

圖12 卡口1 模型結(jié)構(gòu)單元應(yīng)力云圖

卡扣1、卡扣2的在此工況下的最大應(yīng)力分別為38.7 MPa和47.0 MPa，遠(yuǎn)小于卡扣結(jié)構(gòu)采用的Q345B鋼，其屈服極限為275 MPa。

通過(guò)上述計(jì)算可知，卡扣結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

4 模塊連接技術(shù)總結(jié)和特點(diǎn)分析

本船模塊連接結(jié)構(gòu)具備結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、拆裝方便、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)上述強(qiáng)度分析，本船模塊連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際受力。對(duì)于同尺度船型和模塊，采用本船模塊連接結(jié)構(gòu)一般也能滿足其強(qiáng)度要求，具備很強(qiáng)的可移植性。

模塊連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下3點(diǎn)：

1）所有螺栓組均布置在水線以上，防止接觸水面發(fā)生腐蝕。

2）針對(duì)本船結(jié)構(gòu)形式，浮箱模塊2、4相對(duì)于浮箱模塊5有較大扭矩，在實(shí)際計(jì)算中不能忽略，應(yīng)特別考慮豎排螺栓組承受扭矩。

3）卡扣結(jié)構(gòu)垂向受力時(shí)總有一側(cè)受力卡扣結(jié)構(gòu)將脫鉤。考慮到作業(yè)工況為本船長(zhǎng)期工況，浮箱模塊1、浮箱模塊2、浮箱模塊3和浮箱模塊4的質(zhì)量均小于浮力，浮箱模塊連接結(jié)構(gòu)1～2、結(jié)構(gòu)3～4、結(jié)構(gòu)2～5和結(jié)構(gòu)4～5向受力朝上。此時(shí)卡扣結(jié)構(gòu)方向設(shè)計(jì)應(yīng)保證該工況下卡扣結(jié)構(gòu)能夠承受垂向力，以防止螺栓組長(zhǎng)期同時(shí)承受較大的剪力和拉力，出現(xiàn)松動(dòng)和滑絲現(xiàn)象。