分體式挖泥船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

黃麗

摘 要：在船舶的使用中，會(huì)出現(xiàn)很多制約方面的問(wèn)題。本船舶的形式超出規(guī)范要求，文章將在滿足船舶使用環(huán)境的情況下，船舶設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題及計(jì)算方法作一簡(jiǎn)要介紹，以便對(duì)其他類似的船舶設(shè)計(jì)有所幫助。

關(guān)鍵詞：挖泥船 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 圖紙?jiān)O(shè)計(jì)

隨著珠江經(jīng)濟(jì)帶的開發(fā)，西江流域的河流、庫(kù)區(qū)急需一批挖泥船進(jìn)行河道疏浚。但部分流域水庫(kù)由于船閘航道條件限制，主尺度大一些的挖泥船僅從水路到達(dá)不了施工現(xiàn)場(chǎng)，船東提出設(shè)計(jì)主體的挖泥船，通過(guò)陸路運(yùn)輸?shù)确绞?，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后再組裝合并后施工。根據(jù)船東要求，需設(shè)計(jì)一艘B級(jí)航區(qū)，主船體由四個(gè)等分片體的挖泥船，主尺度為：總長(zhǎng)28米、型寬9米、型深2米，（每個(gè)片體14m×4.5m×2m），由四個(gè)片體以及甲板室挖泥機(jī)定位樁組合而成，如圖1，圖2。

由于該船的結(jié)構(gòu)型式超出了《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）的要求，其總縱強(qiáng)度、局部強(qiáng)度均有較大的改變，四個(gè)片體如何有效連接，并保證其強(qiáng)度、剛度滿足使用要求，成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。經(jīng)與武漢河規(guī)所以及審圖部門溝通，采取直接計(jì)算法的方式，對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

1.計(jì)算依據(jù)

本次設(shè)計(jì)的分體式挖泥船航行于珠江水系B級(jí)航區(qū)的非自行挖泥船，為Ⅲ類工程船。船舶結(jié)構(gòu)按照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016），船舶作業(yè)部分主要是由放置于尾部主甲板#0—#10凹槽的挖泥機(jī)完成水下挖泥作業(yè)。依據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）10.1.2.2節(jié)要求：挖泥船、起重船的船體可采用符合以下規(guī)定的組合式浮箱結(jié)構(gòu)，各箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)以組裝完整后的狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。依據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）10.2.4節(jié)要求：?jiǎn)螚U 重量大于15t的Ⅲ類工程船和船長(zhǎng)大于等于40m的Ⅰ、Ⅱ類工程船除應(yīng)滿足本節(jié)10.2.2.1/10.2.3.1的要求外，尚應(yīng)按本篇2.2.4/2.2.5進(jìn)行規(guī)定進(jìn)行下述工況的總縱彎曲強(qiáng)度、局部強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度的校核。對(duì)Ⅲ類工程船的作業(yè)工況，其波浪載荷均按本篇2.2.4對(duì)B級(jí)航區(qū)的規(guī)定個(gè)計(jì)算。下面以總布置圖、基本結(jié)構(gòu)圖、典型橫剖面圖、典型橫艙壁圖、型線圖等為依據(jù)進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算工況依據(jù)穩(wěn)性計(jì)算書及裝載計(jì)算書。

2.計(jì)算工況

根據(jù)穩(wěn)性計(jì)算書，具體計(jì)算工況如表2-1。

3.各工況波面形狀

依據(jù)規(guī)范1.9.5.10節(jié)要求，整船模型計(jì)算，設(shè)計(jì)波為等效余弦波，波長(zhǎng)等于船長(zhǎng)，波高h(yuǎn)e按下式計(jì)算：

則本計(jì)算he= 0 . 6×（8 .13 4 -13.23×0.997+5.887×0.997×0.997）×（192.9×28/2-5.332×28×9/2-33.0 9×2 8+12 65 0.6）×10 -4×（0.953+0.7）=1.08m

確定波高后，依據(jù)規(guī)范要求計(jì)算工況中拱和中垂?fàn)顟B(tài)下的波面形狀。

4.船體結(jié)構(gòu)模型

（1）模型范圍是采用全船模型進(jìn)行計(jì)算分析。本船為四個(gè)箱體通過(guò)螺栓聯(lián)接通構(gòu)成一個(gè)整體。建模時(shí)，將四個(gè)箱體分別建立，實(shí)船上四個(gè)箱體之間在相臨艙壁處處于貼合狀態(tài)，但有限元計(jì)算時(shí)，為防止相臨艙壁節(jié)點(diǎn)重合而發(fā)生聯(lián)接，在建模時(shí)，需要將相臨箱體之間設(shè)置50mm間隙，該間隙并不影響計(jì)算精度，將兩箱分隔。四個(gè)箱體之間通過(guò)螺栓連接裝置聯(lián)接。

中拱工況：由于中拱變形時(shí)，相鄰兩個(gè)箱體的橫艙壁處的船底會(huì)相互接觸，在模型中將2個(gè)箱體船底節(jié)點(diǎn)建立一對(duì)一剛性mpc連接，發(fā)揮接觸的作用。

中垂工況：由于中垂變形時(shí)，相鄰箱體的橫艙壁處的甲板相互接觸，在模型中將2個(gè)箱體甲板節(jié)點(diǎn)建立一對(duì)一剛性mpc連接，發(fā)揮接觸的作用。

（2）坐標(biāo)系：取右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)取在#28中縱剖面船底處，x軸沿船艏方向，y軸沿左舷方向，z軸指向高度方向。

（3）單元網(wǎng)格：模型中主要采用板殼單元、梁?jiǎn)卧蜅U單元，板單元以四邊形為主，在連接過(guò)渡的地方采用了少量三角形單元：

有限元網(wǎng)格尺寸：板殼單元的網(wǎng)格在船長(zhǎng)、船寬及型深方向按1/4肋距尺寸劃分。

5.邊界條件

由于本船采用整船建模，不施加任何邊約束，而采用慣性釋放的方法來(lái)平衡重力與浮力。

6.總縱強(qiáng)度計(jì)算載荷

載荷包括舷外水壓力、貨物重量、結(jié)構(gòu)自重等。其中舷外水壓力載荷根據(jù)計(jì)算工況船舶處于平衡狀態(tài)時(shí)的波面，按壓力分布施加到模型的濕表面各單元上。

（1）舷外水壓力：船底基線處的壓力由波面高度決定，波面處的壓力為0，舷側(cè)從基線到波面壓力值采用線性插值求得。通過(guò)編寫PCL語(yǔ)言將波浪載荷壓力引入到模型中。

（2）結(jié)構(gòu)自重：結(jié)構(gòu)自重以慣性力的形式自動(dòng)加入。

（3）貨物、燃油及壓載水等載荷：貨物、燃油及壓載水以力的形式在相應(yīng)區(qū)域加入。

（4）局部強(qiáng)度計(jì)算載荷：局部強(qiáng)度主要校核連接裝置的強(qiáng)度，其載荷同總縱強(qiáng)度載荷，只分析連接裝置區(qū)域的計(jì)算結(jié)果。

7.許用應(yīng)力

按照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016年）1.9.5.13相關(guān)要求，總縱強(qiáng)度船體構(gòu)件：主甲板、強(qiáng)力甲板、船體外板、縱艙壁、甲板縱桁、龍骨的腹板及面板、橫艙壁板、實(shí)肋板、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨的腹板及面板的單元應(yīng)力不大于船體構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力。

8.計(jì)算結(jié)果

總縱強(qiáng)度船體構(gòu)件：主甲板、強(qiáng)力甲板、船體外板、縱艙壁、甲板縱桁、龍骨的腹板及面板、橫艙壁板、實(shí)肋板、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨的腹板及面板的單元應(yīng)力均不大于標(biāo)準(zhǔn)需用應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果合格。

9.結(jié)論

通過(guò)對(duì)28m分體式挖泥船進(jìn)行全船有限元直接計(jì)算，結(jié)果表明各構(gòu)件的最大應(yīng)力均小于其許用應(yīng)力，各板格屈曲因子大于規(guī)范要求的最小屈曲因子，28m分體式挖泥船總縱強(qiáng)度、局部強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度和28#橫艙壁連接螺栓強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。目前，該套圖紙已通過(guò)船檢部門審核，較好的滿足了船東的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2016）.

[2]內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（2011年）及其2015、2016年修改通報(bào).