耙吸式挖泥船的泥艙晃蕩載荷及其效應(yīng)分析

王浩欽 吳劍國（浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)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(yīng)分析

王浩欽 吳劍國
（浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)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(diǎn)，存在泥漿晃蕩現(xiàn)象。文章參照BV規(guī)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(guī)工況下泥艙結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行分析和對比，發(fā)現(xiàn)在特定情況下泥漿晃蕩將使主甲板及橫艙壁的最大應(yīng)力增大200%左右，并使內(nèi)殼及強(qiáng)框架等的應(yīng)力增大15%～50%，從而對船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。

［關(guān)鍵詞］晃蕩；耙吸式挖泥船；泥艙；BV規(guī)范

吳劍國（1963-），男，教授，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

引 言

一般來說，裝載具有流性物質(zhì)的船舶在航行過程中均可能產(chǎn)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(jié)構(gòu)的影響不容忽視，比如VLCC、LNG、LPG 等液貨船的設(shè)計(jì)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(diǎn)，因此，泥漿晃蕩載荷及其對挖泥船結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響是業(yè)界關(guān)心的問題。

晃蕩問題是典型的流固耦合問題，是一種非常復(fù)雜的流體運(yùn)動現(xiàn)象，具有高度的非線性和隨機(jī)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(nèi)部構(gòu)件、液體充裝高度、液體屬性等。當(dāng)液艙形狀確定時，艙內(nèi)流體的共振頻率主要取決于艙內(nèi)的載液深度。液艙在外界激勵下通常會產(chǎn)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(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究三類［3］。目前國內(nèi)外均有計(jì)算晃蕩載荷的相關(guān)規(guī)范，CCS的《液艙晃蕩載荷及構(gòu)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(jù)公式計(jì)算，而水平3晃蕩力需要建模計(jì)算［4］，而BV的《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》［5］將晃蕩載荷分成四種不同性質(zhì)的力，力學(xué)概念較為清楚，并給出相應(yīng)計(jì)算公式而無需建模計(jì)算，應(yīng)用較為方便，故本文參考BV規(guī)范對晃蕩載荷進(jìn)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(jié)構(gòu)的影響。

1 計(jì)算模型

本文選取該船F(xiàn)R52 至FR177 范圍內(nèi)的船體進(jìn)行泥艙段有限元強(qiáng)度計(jì)算及分析，結(jié)構(gòu)尺寸采用船舶建造厚度，外板、強(qiáng)框架、縱桁、艙壁采用4節(jié)點(diǎn)板殼單元模擬，骨材和面板上的加強(qiáng)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(jié)構(gòu)直接計(jì)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(jī)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(zhì)海船入級規(guī)范》計(jì)算船體正浮狀態(tài)下晃蕩載荷。該規(guī)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(jìn)行計(jì)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(guī)范，當(dāng)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(jīng)過BV公式的計(jì)算，隨著裝載深度的變化，本船在縱搖和橫搖狀態(tài)下均有產(chǎn)生共振的風(fēng)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(yuǎn)大于寬度，縱搖引起的晃蕩效應(yīng)遠(yuǎn)大于橫搖，故本文以船體正浮狀態(tài)下縱搖共振為例對晃蕩載荷進(jìn)行計(jì)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(chǎn)生，計(jì)算公式為：

2.2 慣性力

慣性力計(jì)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(zhì)海船入級規(guī)范》。

2.3 晃蕩力

認(rèn)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(jì)算公式如下（kN/m2）：

式中：參數(shù)α、參考力P0（kN/m2），詳見《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》。

2.4 沖擊力

船身正浮狀態(tài)時，考慮最不利情況認(rèn)為液體運(yùn)動產(chǎn)生的動態(tài)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(jì)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(guān)參數(shù)詳見《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》。

根據(jù)以上計(jì)算公式，代入挖泥船的相關(guān)參數(shù)，可以算出所有的晃蕩載荷，現(xiàn)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(biāo)定義如圖 1所示，計(jì)算結(jié)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(nèi)的晃蕩力，其液面處的最大值與最大慣性力相當(dāng)。

（3）當(dāng)裝載率較?。ㄈ?0%裝載率）時，可不考慮該沖擊力。當(dāng)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(dāng)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(chǎn)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(dāng)。

（2）當(dāng)裝載液面較高（如80%裝載率）時，在液面至艙頂范圍內(nèi)產(chǎn)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(jié)構(gòu)的影響

本文研究泥艙晃蕩對船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，由于泥艙滿載時不出現(xiàn)晃蕩現(xiàn)象，作為對比研究，應(yīng)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(guī)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(jīng)MSC.Nastran計(jì)算，挖泥船在常規(guī)工況和晃蕩工況下各部位最大Mises應(yīng)力及相應(yīng)位置見表3。

表3　應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從表3可以看出：在考慮晃蕩荷載的情況下，內(nèi)外底板的Mises應(yīng)力有所減小，而船體其余部位的應(yīng)力都增大了。其中主甲板、橫艙壁增大較多，最大應(yīng)力增大200%左右；內(nèi)殼、外舷側(cè)應(yīng)力增大較小，為50%左右；而強(qiáng)框架最大應(yīng)力只增大15%。部分應(yīng)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(jié) 論

通過對17 000 m3耙吸式挖泥船在常規(guī)工況和晃蕩工況下的對比分析，發(fā)現(xiàn)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(yīng)力水平，對船體結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)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(yīng)力增大較多，最大應(yīng)力增大200%左右，應(yīng)引起注意，對此處結(jié)構(gòu)適當(dāng)加強(qiáng)；此外，內(nèi)殼、外舷側(cè)的最大應(yīng)力產(chǎn)生50%左右的增幅，而強(qiáng)框架最大應(yīng)力只增大15%。由此可見，泥漿晃蕩對挖泥船結(jié)構(gòu)的影響不容忽視。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 楊亞東. 耙吸挖泥船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)［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(shè)計(jì)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(xué)，2009.

［4］ 中國船級社. 液艙晃蕩載荷及構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

［收稿日期］2015-06-25；［修回日期］2015-11-02

［基金項(xiàng)目］浙江省重大科技專項(xiàng)社會發(fā)展項(xiàng)目：17 000立方耙吸式工程船設(shè)計(jì)建造關(guān)鍵技術(shù)研究（編號：2013C03032）。

［中圖分類號］U661.43

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）01-0059-05