大型抓斗挖泥船鋼樁定位系統(tǒng)的三維設計

劉加志， 余 龍， 趙永生， 萬 浩， 楊 啟

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室船舶海洋與建筑工程學院, 上海 200240;2.上海交通大學 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心, 上海 200240)

大型抓斗挖泥船鋼樁定位系統(tǒng)的三維設計

劉加志1,2， 余 龍1,2， 趙永生1,2， 萬 浩1,2， 楊 啟1,2

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室船舶海洋與建筑工程學院, 上海 200240;2.上海交通大學 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心, 上海 200240)

為某200 m3級抓斗挖泥船設計鋼樁定位系統(tǒng)，利用UG軟件對其進行了三維建模，使用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran對鋼樁定位系統(tǒng)進行結構分析，研究鋼樁及樁套的靜結構強度、穩(wěn)定性和動態(tài)響應。

抓斗船；鋼樁臺車；三維設計；結構分析

0 引言

近年來，國內(nèi)疏浚業(yè)發(fā)展迅速，疏浚設備正朝著大型化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展，對疏浚設備提出了更高的要求。抓斗挖泥船作為一種應用廣泛的疏浚船，主要用于港池、碼頭等處的挖泥作業(yè)，目前國內(nèi)現(xiàn)有的最大的抓斗挖泥船抓斗容積僅為50 m3，主要用于淺水航道與港口疏浚工程[1]。

在理論研究方面，劉俊梅等[2]利用有限元及結構優(yōu)化方法對一艘30 m3抓斗挖泥船抓斗機底部基座區(qū)域的結構性能進行了研究；張博[3]利用有限元軟件對一艘4 m3定位樁抓斗船進行了全船結構強度分析； Josef等[4]基于實測應變數(shù)據(jù)對抓斗挖泥船局部結構的載荷與應力計算進行了研究。國內(nèi)的研究主要是基于小型抓斗船，對大型樁定位抓斗船的研究十分有限，國外公開的研究資料也很少。

針對我國自主研發(fā)的某200 m3大型抓斗挖泥船設計了鋼樁定位系統(tǒng)，以實現(xiàn)抬船定位作業(yè)或船舶移位。抓斗船工作時受到的風、浪、流等環(huán)境載荷和作業(yè)載荷均由鋼樁承受，并傳遞到海底泥面，因此對鋼樁的結構強度和剛度都提出了更高的要求，有必要對其進行深入研究。分析鋼樁定位系統(tǒng)的工作原理及組成，建立鋼樁定位系統(tǒng)的三維模型，并對鋼樁及樁套進行靜動力計算和穩(wěn)定性分析，為抓斗船的設計和安全施工提供參考。

1 鋼樁定位系統(tǒng)的設計原理

圖1為抓斗挖泥船及鋼樁定位系統(tǒng)在船體中的布置簡圖。該船共設有3組鋼樁定位系統(tǒng)，3根鋼樁完全相同，其中：2組安裝在固定樁架上，布置在船中部靠近抓斗機兩舷側(cè)，用作船舶定位；1組安裝在臺車上，布置在尾部船舶中心線附近，用作船舶移位。

圖1 抓斗挖泥船及鋼樁臺車系統(tǒng)布置簡圖

1.1 鋼樁及樁套結構

鋼樁為殼體式結構，四角設導軌，導軌上均布開設插銷孔，起升軛架可以插入插銷升降鋼樁。鋼樁底部設計有巖石型尖頭樁靴，方便鋼樁插入河床及海床。鋼樁及樁靴內(nèi)部設有高壓沖水系統(tǒng)用于拔樁時沖掉樁靴周圍的泥土[5-6]。鋼樁外壁設有加強筋，長度方向設置13道隔板，隔板上開有減輕孔。

鋼樁套的作用是固定支撐鋼樁系統(tǒng)，設置有上、下抱箍結構和橫向、縱向限位裝置以及拖航固定裝置，上、下抱箍結構用以傳遞鋼樁受到的載荷，在主甲板平面上布置8組起升油缸鉸鏈眼板用以傳遞起升載荷。

1.2 鋼樁升降系統(tǒng)

鋼樁升降系統(tǒng)采用液壓油缸聯(lián)合起升軛架的方式實現(xiàn)鋼樁升降，由起升軛架、起升油缸、液壓插銷油缸等組成[7]。每根鋼樁配備了4套起升軛架，起升軛架上布置液壓插銷裝置，當液壓插銷油缸伸長時，液壓插銷油缸帶動插銷插入鋼樁銷孔中。當鋼樁起升油缸伸長或縮短時，起升軛架帶動鋼樁實現(xiàn)鋼樁升降。鋼樁對角線上的油缸為一組，兩組油缸交替工作，可實現(xiàn)鋼樁的快速、連續(xù)升降，該升降裝置的優(yōu)點是力傳遞簡單直接，低速性能好。

1.3 鋼樁臺車移位系統(tǒng)

鋼樁臺車移位系統(tǒng)主要由臺車、平衡梁、行走滑塊、橫向限位裝置等組成。鋼樁臺車主體結構安裝在船首部的開槽區(qū)域內(nèi)，行走系統(tǒng)采用平衡梁滑塊復合式行走方式，包含兩套滑移結構和一套平衡梁結構，滑移結構安裝在平衡梁結構上，可以在軌道間滑移，平衡梁結構可轉(zhuǎn)動以保證各滑移結構與軌道始終貼合[8]。鋼樁臺車主體結構上設置有8套橫向限位裝置，用于限制鋼樁臺車的橫向位移。

2 三維模型的建立

2.1 主要技術特征和性能參數(shù)

200 m3級抓斗挖泥船及鋼樁定位系統(tǒng)的主要設計參數(shù)見表1。

表1 船舶主尺度

該船采用三樁定位系統(tǒng)，最大工作水深30 m，鋼樁主體長度49 m,截面尺寸為3.5 m×3.5 m，重量約360 t。臺車行走、鋼樁升降和傾倒全部采用液壓驅(qū)動，其中行走油缸最大行程為8 000 mm，起升油缸最大行程2 600 mm。

2.2 三維模型的建立

根據(jù)鋼樁臺車的主要技術參數(shù)，利用UG軟件建立三維模型并完成虛擬裝配，鋼樁臺車定位系統(tǒng)和橫向限位裝置的三維模型分別如圖2和圖3所示。干涉檢查發(fā)現(xiàn)各組件的裝配符合實際情況。

圖2 鋼樁臺車定位系統(tǒng)三維模型 圖3 橫向限位裝置三維模型

3 定位樁載荷計算

抓斗船在定位作業(yè)狀態(tài)下主要受到的載荷有：風、浪、流等環(huán)境載荷，抬船導致的重力浮力差以及抓斗(含泥沙)作用于船上的工作載荷。抓斗船完成一次挖掘釋放約118 s，在抓斗船的一個工作周期內(nèi)，利用ANSYS_AQWA軟件計算不同環(huán)境條件下鋼樁的受力情況[9]，環(huán)境條件見表2。

表2 計算環(huán)境條件

4 結構分析

抓斗船工作時受到的載荷作用由鋼樁承受，設計中采用有限元軟件MSC.Patran/Nastran對鋼樁及樁套進行建模和分析，校核鋼樁及樁套在工作過程中的結構強度和鋼樁穩(wěn)定性，以確保結構的安全。

4.1 模型的建立

主要研究定位樁的承載能力，且抓斗船的剛度遠大于定位樁的剛度。因此，該文將船體作為傳力結構，不建立船體模型。由于3根樁是完全相同的，故只需要建立一種鋼樁模型。模型中，坐標原點位于鋼樁中心線與基線的交點上，X軸以船首方向為正方向，Y軸以船的左舷為正方向，Z軸以向上為正方向。鋼樁及樁套結構的有限元建模中，板材、肋板以及肋骨板材均采用四節(jié)點或三節(jié)點板殼單元來模擬。圖4是鋼樁的有限元模型，節(jié)點總數(shù)為22 133個，單元總數(shù)為23 923個。圖5是樁套的有限元模型，節(jié)點總數(shù)為2 917個，單元總數(shù)為4 327個。

圖4 鋼樁有限元模型 圖5 樁套有限元模型

4.2 計算工況及邊界條件

在前面計算樁載荷的基礎上，分別找出尾樁和中樁可能出現(xiàn)最危險情況的工況，左中樁和右中樁是對稱的，以右中樁為例進行計算。尾樁各危險工況所對應的參數(shù)和受力結果分別見表3和表4，右中樁各危險工況所對應的參數(shù)和受力結果分別見表5和表6。

表3 尾樁工況參數(shù)表

表4 尾樁受力計算結果

表5 右中樁工況參數(shù)表

表6 右中樁受力計算結果

計算鋼樁處于最大工作水深的情況，在鋼樁與樁套的連接處只有Z軸方向自由，其他方向固定，通過多點約束MPC將這一高度的節(jié)點約束到中心，在中心上加約束。鋼樁的底部只有Z軸固定，其他方向自由。鋼樁受到的垂直力作用在質(zhì)心對應的節(jié)點上，通過多點約束MPC傳到相關的節(jié)點上。鋼樁受到的水平力分為縱向和橫向水平力分別加在樁上。

4.3 靜力分析

4.3.1 鋼樁的靜力分析

右中樁工況3的整體應力云圖如圖6所示。最大應力出現(xiàn)在鋼樁四角承受水平力的導軌下端，導軌下端的應力云圖如圖7所示，可以看出，鋼樁的最大應力為158 MPa。鋼樁在各個工況下的應力和位移結果匯總見表7。

表7 鋼樁的應力和位移結果匯總

圖6 鋼樁的整體應力云圖 圖7 導軌下端處應力云圖

由表7可以看出：(1) 尾樁和中樁所有工況的應力均小于屈服極限(355 MPa)，故鋼樁的強度滿足設計要求，安全系數(shù)可取為2；(2) 中樁各個工況下的應力和位移均大于尾樁，主要是因為抓斗船作業(yè)過程中抓斗位置的變化對中樁的影響較大。因此，在作業(yè)過程中，要更多地關注中樁的情況。

4.3.2 樁套的靜力分析

樁套工況3的整體應力和最大應力處云圖分別如圖8和圖9所示。可以看出，樁套的最大應力為72.4 MPa，最大應力出現(xiàn)在樁套與平衡梁連接處的內(nèi)層板上。樁套在各個工況下的應力和位移結果匯總見表8。

圖8 樁套的整體應力云圖 圖9 樁套的局部區(qū)域應力云圖

表8 樁套的應力和位移結果匯總

樁套的主體結構均采用高強度鋼焊接而成，屈服極限為355 MPa。由表8可知，中樁和尾樁樁套所有工況的應力均小于屈服極限，故樁套的強度滿足設計要求，安全系數(shù)可取為4。

4.4 動力分析

瞬態(tài)響應分析是計算結構在隨時間變化載荷作用下的動力響應，可以得到力、應力、應變隨時間的變化規(guī)律，分為直接瞬態(tài)響應分析和模態(tài)瞬態(tài)響應分析。抓斗船工作環(huán)境復雜，需要考慮鋼樁的動態(tài)響應，采用直接法對鋼樁進行動力分析。

動力分析的約束及加載位置與靜力分析相同，不同的是將靜態(tài)載荷改為隨時間變化的動態(tài)載荷。在靜力計算中，中樁工況3的應力和位移最大，故動力計算以中樁工況3為例計算。中樁工況3的縱向(X方向)、橫向(Y方向)和垂向(Z方向)3個方向在一個周期內(nèi)的載荷-時間歷程曲線如圖10～圖12所示。

圖10 縱向載荷Fx隨時間變化的曲線圖 圖11 橫向載荷Fy隨時間變化的曲線圖

圖12 橫向載荷Fz隨時間變化的曲線圖

該次瞬態(tài)響應分析計算了4 000個周期，在后處理中首先讀取鋼樁在整個激勵時間內(nèi)的位移云圖，找到最大位移的節(jié)點，然后評估該節(jié)點位移隨時間變化的情況。鋼樁位移云圖如圖13所示，最大位移為227mm，在9567號節(jié)點處。該節(jié)點在整個激勵時間內(nèi)的位移曲線如圖14所示，鋼樁的位移在2.2×105s即1 900個周期附近達到最值，最大值為227mm。

考慮該船的實際工作情況，工作半徑是31m，最大工作水深是30m，抓斗的工作角度從-90°～90°，抓斗的容積為600m3，抓斗船一個地點最多工作227個周期就需要移樁。從安全角度考慮，按250個周期計算，工作250個周期時靜力與動力的最大應力和位移的比較如圖15和圖16所示。由圖15和圖16可以看出，在工作時間內(nèi)動力的應力和位移結果均比靜力的小，主要是因為靜力分析時所選取的工況是鋼樁所受不同方向載荷的峰值，結果偏保守。鋼樁的動力結構強度也滿足作業(yè)要求。

圖13 鋼樁位移云圖 圖14 9567號節(jié)點位移隨時間變化的曲線圖

圖15 靜力和動力應力比較圖 圖16 靜力和動力位移比較圖

4.5 屈曲分析

鋼樁的長度較長，受到較大的軸向載荷，所以有必要對鋼樁進行穩(wěn)定性分析。線性穩(wěn)定性分析也稱為屈曲分析(buckling)，屈曲分析分為2個階段：第1階段，在結構上施加外載荷，計算相應的內(nèi)力；第2階段，應用第一階段得到的內(nèi)力計算微分剛度矩陣，然后進行屈曲分析[10]。

在第1階段中，首先求解線性方程組(1)的線性靜力分析：

式中：[K0]為線性剛度矩陣；{μ}為位移特征矢量；{P*}為參考狀態(tài)的靜載荷。參考狀態(tài)的解為：

在第2階段中，尋求滿足下列方程的系數(shù)λ，即臨界屈曲因子：

式中：[KG]為幾何剛度矩陣，對于初始穩(wěn)定狀態(tài)有：

式中：[Kσ]為初應力剛度矩陣。

解出方程的系數(shù)λ后，將參考載荷乘以屈曲因子λ即可得到屈曲載荷。通過有限元軟件MSC.Nastran來計算鋼樁不同工況下的屈曲模態(tài)，屈曲因子λ應滿足：λ≥1。各個工況下鋼樁的屈曲安全因子見表9。

表9 鋼樁屈曲因子

由表9可以看出，鋼樁的屈曲因子絕對值都大于1，這說明屈曲臨界載荷相比于實際載荷要大得多，對于該結構來說，屈曲強度滿足要求。

5 結論

該文的抓斗挖泥船是中國目前自主研發(fā)的最大的抓斗船，抓斗容積200 m3，工作能力6 000 m3/h，最大挖深30 m。一般抓斗船都在沿海遮蔽海域施工，該船需要適應在南海開闊水域作業(yè)，環(huán)境條件更為惡劣。抓斗船受到的環(huán)境載荷、抓斗工作載荷、抬船功能載荷均由鋼樁承受，對鋼樁的結構強度和剛度都提出了更高的要求。針對這些要求，為抓斗船設計了鋼樁臺車定位系統(tǒng)。

(1) 介紹了它的設計原理，并利用三維設計軟件UG建立了鋼樁臺車定位系統(tǒng)的三維模型，完成虛擬裝配。

(2) 根據(jù)該船外載荷分析，確定鋼樁設計的載荷與工況，采用有限元方法建立相應模型，進行靜動力強度分析，結果表明強度符合規(guī)范要求，能夠滿足作業(yè)要求。

(3) 采用有限元方法對相應模型進行了穩(wěn)定性分析，得到了不同工況下的屈曲因子，其絕對值均遠大于1，表明鋼樁結構穩(wěn)定性良好，滿足設計要求。

[ 1 ] 劉丹. 南海作業(yè)大型抓斗疏浚船水動力性能研究和動力仿真[D]. 上海: 上海交通大學, 2015.

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[10] 博創(chuàng)設計坊. UG NX 8.0完全自學手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2012.

3D Design of Spud positioning System for Large Grab Dredger

LIU Jiazhi1,2, YU Long1,2, ZHAO Yongsheng1,2,WAN Hao1,2, YANG Qi1,2

(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China；2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240， China)

A spud carrier system for a 200 square meter grab dredger is designed, a 3D model with UG is built and the static and dynamic responds and buckling are analyzed with finite element software MSC．Patran/Nastran.

grab dredger; spud carrier; 3D design; structure analysis

2016-03-14

大型抓斗式疏浚工程船及抓斗設備設計關鍵技術研究(工信部聯(lián)裝[2012]539號)

劉加志(1990-)，男，碩士研究生

1001-4500(2017)01-0033-09

U69

A