反鏟挖泥船施工狀態(tài)整船有限元強(qiáng)度分析計(jì)算

劉榮振，陳九肖，肖博

（1.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300457；2.天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300457）

反鏟挖泥船施工狀態(tài)整船有限元強(qiáng)度分析計(jì)算

劉榮振1，陳九肖1，肖博2

（1.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300457；2.天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300457）

結(jié)合反鏟挖泥船的特殊結(jié)構(gòu)和工作原理，建立全船結(jié)構(gòu)有限元模型包括所有的外板、甲板、橫艙壁、縱艙壁以及所有的橫縱向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；施加邊界條件；闡述船舶典型工況下的載荷以及工況選擇。計(jì)算不同工況下反鏟挖泥船的整船應(yīng)力分布，通過(guò)全船模型有限元分析法評(píng)估船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化船體局部結(jié)構(gòu)，根據(jù)GB 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》校核疲勞強(qiáng)度。該方法已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)大型反鏟挖泥船上，經(jīng)實(shí)際施工使用，優(yōu)化后船體強(qiáng)度滿足施工要求。

反鏟挖泥船；有限元模型；整船強(qiáng)度；疲勞強(qiáng)度

0 引言

相對(duì)傳統(tǒng)的絞吸、耙吸和抓斗挖泥船而言，反鏟挖泥船是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新的疏浚船型。中交天津航道局所屬“津泰”船是引進(jìn)荷蘭技術(shù)、在國(guó)內(nèi)建造的1艘反鏟挖泥船，其主要疏浚設(shè)備為位于船尾部的1臺(tái)反鏟式挖掘機(jī)。船舶施工時(shí)，由3根鋼樁將船體由自由浮態(tài)向上抬升一定高度，使船體處于半浮狀態(tài)，然后升降3根鋼樁的高度，使船體處于水平狀態(tài)。位于船首的鋼樁臺(tái)車用于船舶的掘進(jìn)行走[1]。反鏟式挖泥船特殊的作業(yè)方式，使船體結(jié)構(gòu)所受載荷更為復(fù)雜，對(duì)于這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和載荷分布，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法存在弊端。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，使將整船劃分為有限元來(lái)進(jìn)行計(jì)算成為可能。有限元直接計(jì)算方法是通過(guò)有限元軟件對(duì)整船建立有限元模型，分別以板、殼、梁和桿等單元來(lái)模擬不同受力狀態(tài)的構(gòu)件，并通過(guò)有限元軟件分析求解，得到各個(gè)構(gòu)件的實(shí)際變形和應(yīng)力結(jié)果。

在津泰船的改造項(xiàng)目中，船體強(qiáng)度是校核的重點(diǎn)，拖航狀態(tài)船體強(qiáng)度可根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[2]進(jìn)行計(jì)算，并提交船級(jí)社進(jìn)行審核。但施工狀態(tài)下船體強(qiáng)度計(jì)算并沒(méi)有具體的規(guī)范要求，同時(shí)“津泰”船在施工過(guò)程中船體多處已出現(xiàn)裂縫，因此施工狀態(tài)下整船強(qiáng)度計(jì)算非常有必要。通過(guò)NAPA建立津泰挖泥船的有限元模型，分析確定反鏟機(jī)在施工狀態(tài)中作用船體的載荷，通過(guò)有限元軟件Pantran&Nastran，計(jì)算出不同工況下挖泥船的應(yīng)力分布，優(yōu)化船體局部結(jié)構(gòu)，并根據(jù)GB 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》校核其疲勞強(qiáng)度，為挖泥船的改裝設(shè)計(jì)提供了技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)，同時(shí)為解決工程船施工狀態(tài)下船體強(qiáng)度分析計(jì)算開(kāi)辟了一條途徑。

1 模型建立及網(wǎng)格劃分

通過(guò)NAPA建立整船模型，此結(jié)構(gòu)模型包括所有的外板，甲板，橫艙壁，縱艙壁以及所有的橫縱向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，包括板材上的扶強(qiáng)材開(kāi)孔等，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)船舶整體以及局部結(jié)構(gòu)的基本形式。其中模型X方向船舶縱向，沿船長(zhǎng)方向；Y方向?yàn)榇皺M向，沿船寬方向；Z方向?yàn)榇按瓜颍卮叻较?。通過(guò)NAPA對(duì)模型劃分網(wǎng)格，并對(duì)反鏟機(jī)底座和樁套船體連接處結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，模型一共劃分133 060個(gè)節(jié)點(diǎn)，162 322個(gè)單元，其中24 073個(gè)梁?jiǎn)卧?34 948個(gè)四邊形單元和3 301個(gè)三角形單元，定義好單元屬性，導(dǎo)入Pantran中進(jìn)行加載，并提交給Nastran計(jì)算分析，其劃分網(wǎng)格結(jié)果如圖1所示。

圖1 反鏟挖泥船有限元模型Fig.1The finite element model of backhoe dredger

2 施工狀態(tài)下受力分析及加載

反鏟船在工作的過(guò)程中，主要靠3根鋼樁支撐并固定船體進(jìn)行作業(yè)，所受的載荷主要由空船重量、靜水壓力、以及反鏟機(jī)在工作過(guò)程中對(duì)船體的作用力。主要選取反鏟機(jī)的4個(gè)比較典型工況（入水、挖掘、帶載起升、卸載）進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 邊界條件

考慮實(shí)際工作情況，在2個(gè)尾樁樁套建立鉸連接，釋放其沿船舶橫向旋轉(zhuǎn)的自由度，約束剩余的自由度。在首樁樁套位置建立鉸連接，釋放其沿船橫向旋轉(zhuǎn)的自由度，約束剩余的自由度。

2.2 空船重量

根據(jù)提供的空船重量數(shù)據(jù)，考慮淡水、燃油等因素，得到13個(gè)理論站距上空船重量的分布，分別近似地?cái)偟礁髡揪嘀兄饕獧M向構(gòu)件（包括甲板、平臺(tái)以及外板）的節(jié)點(diǎn)上（各種大型設(shè)備的分項(xiàng)重量數(shù)據(jù)，以集中力的形式施加到模型上）。

2.3 靜水壓力

靜水壓力P=ρ海水gh，其中：ρ海水=1.025 t/m3；h為船舶吃水，作用在船體的濕表面[3-5]。

2.4 反鏟機(jī)作用力

根據(jù)不同工況下的載荷計(jì)算，在反鏟基座位置建立鉸連接，將其加載到上面。工作狀態(tài)為18 m大臂、10.5 m小臂、14 m3鏟斗、最大挖深為20 m，船舶提升0.7 m。其加載載荷見(jiàn)表1、表2。

表1 船體FEM計(jì)算所需反鏟機(jī)載荷Table 1The backhoe machine load for hull FEM calculate

表2 兩后樁樁套約束力計(jì)算表Table 2After the two pile set binding calculation table t

3 施工狀態(tài)下整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

將NAPA建立的有限元模型，導(dǎo)入到Patran中，進(jìn)行約束和加載等預(yù)處理，最后提交給Nastran進(jìn)行計(jì)算[6]。根據(jù)反鏟船的工作原理，選取4個(gè)比較典型的工況（入水、挖掘、帶載起升、卸載）進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)計(jì)算不斷優(yōu)化船體局部結(jié)構(gòu)，直到其滿足設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖2所示，優(yōu)化后強(qiáng)度計(jì)算如圖3所示。

圖2 船體局部?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)圖Fig.2Local optimization structure of hull

圖3 反鏟船工作狀態(tài)下整船應(yīng)力Fig.3The stress of the whole backhoe dredger in working condition

強(qiáng)度許用應(yīng)力值的選取參照《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，強(qiáng)度安全系數(shù)取1.48（計(jì)算工況考慮風(fēng)的影響，但是安全系數(shù)的選取是按照無(wú)風(fēng)狀態(tài)下選取，偏于安全）。船舶在施工狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果如表3所示，船體材料為AH355、DH355，強(qiáng)度許用應(yīng)力值為239 MPa，在入水、挖掘、帶載起升的工況下其計(jì)算應(yīng)力值小于材料的強(qiáng)度許用應(yīng)力值。

表3 工作狀態(tài)下整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Table 3The structure strength calculation results of the whole backhoe dredger in working condition

4 施工狀態(tài)下疲勞強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度校核要計(jì)算疲勞許用應(yīng)力值。疲勞許用應(yīng)力值同結(jié)構(gòu)的工作級(jí)別、焊接等級(jí)、應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)[7]。

4.1 反鏟機(jī)底座結(jié)構(gòu)工作級(jí)別

結(jié)構(gòu)的工作級(jí)別是由結(jié)構(gòu)的使用等級(jí)和應(yīng)力狀態(tài)級(jí)別決定的。根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)構(gòu)使用等級(jí)的確定首先要計(jì)算結(jié)構(gòu)在整個(gè)使用周期內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。用船單位給出“津泰”在南非施工期間的具體參數(shù)如下。

1）每斗循環(huán)時(shí)間：每斗時(shí)間和操作手的熟練程度密切相關(guān)，和疏浚土質(zhì)也有很大關(guān)系。國(guó)外大型疏浚公司給出的平均每斗時(shí)間是1 min，這也是在砂性土質(zhì)的前提下，當(dāng)存在巖石或硬質(zhì)土?xí)r，這一時(shí)間還要延長(zhǎng)。據(jù)工藝部門統(tǒng)計(jì)，操作手在經(jīng)過(guò)培訓(xùn)并操作一段時(shí)間后，平均時(shí)間需要1.5~2 min，對(duì)稍硬土質(zhì)，采用15 m3鏟斗，開(kāi)挖時(shí)間都大大的延長(zhǎng)，操作手每循環(huán)時(shí)間都在2~5 min之間。假設(shè)在操作手非常熟練情況下，砂土類每鏟循環(huán)時(shí)間為1 min，巖石類每鏟循環(huán)時(shí)間樂(lè)觀預(yù)計(jì)在1.5 min。所以，考慮到“津泰”大修后的實(shí)際情況，這里取平均操作時(shí)間100 s計(jì)算。

2）滿斗率：實(shí)際施工中，鏟斗的方量是不一定的。計(jì)算載荷值時(shí)不能完全按照滿斗時(shí)計(jì)算，需要用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算。工藝部門對(duì)津泰船充斗率劃分為四等，分別是超滿、平鏟、半鏟、空鏟，并給出鏟斗四種狀態(tài)的方量、權(quán)重值。以15 m3鏟斗開(kāi)挖沙土類為例：超滿（20 m3）權(quán)重為0.2，滿斗（15 m3）權(quán)重為0.6，半斗（8 m3）權(quán)重值為0.2，空斗（3 m3）權(quán)重為0。計(jì)算沙土類時(shí)，平均斗方量為14.6 m3。一般計(jì)算出的鏟斗方量要低于鏟斗的標(biāo)定值，為計(jì)算方便，仍取標(biāo)定方量計(jì)算載荷值，這樣的計(jì)算是偏于保守的。

3）時(shí)間利用率：實(shí)際施工時(shí)，即使津泰船實(shí)際施工保證率能達(dá)到75%，根據(jù)概率學(xué)組合計(jì)算，實(shí)際施工時(shí)船舶時(shí)利率僅能達(dá)到56%。

4）年利用率：根據(jù)近幾年項(xiàng)目進(jìn)展情況，修船及修船期每年平均2個(gè)月，所以規(guī)定“津泰”1 a的工作日在300 d。

5）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：按照以上參數(shù)計(jì)算，“津泰”船反鏟機(jī)每天的工作次數(shù)是484次，每年是1.45×105次，5 a是7.26×105次，考慮到反鏟機(jī)是雙側(cè)卸載，每側(cè)的循環(huán)次數(shù)可以取總工作次數(shù)的2/3，所以循環(huán)次數(shù)為4.84×105次，查得反鏟機(jī)底座結(jié)構(gòu)的使用等級(jí)是B5[7]。

6）應(yīng)力狀態(tài)級(jí)別：反鏟機(jī)底座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)級(jí)別計(jì)算可以參照鋼絲繩疲勞計(jì)算部門，取應(yīng)力譜系數(shù)Ks=0.35，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，對(duì)應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)級(jí)別S3，反鏟機(jī)底座結(jié)構(gòu)的工作級(jí)別是E5（所對(duì)應(yīng)疲勞許用應(yīng)力的基本值為117.8 MPa）。

4.2 計(jì)算最大應(yīng)力點(diǎn)許用疲勞應(yīng)力和校核最大應(yīng)力點(diǎn)疲勞強(qiáng)度

根據(jù)規(guī)范要求[7]計(jì)算出反鏟基座中應(yīng)力值最大的點(diǎn)（A點(diǎn)）以及整船在工作狀態(tài)下應(yīng)力值最大的點(diǎn)（B點(diǎn)）疲勞強(qiáng)度許用值各為[σax]=202 MPa，[σay]=224 MPa，[τaxy]=89.5 MPa，[σbx]=224 MPa，[σby]=211 MPa，[τaxy]=89.5 MPa，并按規(guī)范要求進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。A、B點(diǎn)的位置如圖4所示。

圖4 疲勞點(diǎn)A、B示意Fig.4Fatigue points A and B

船舶在工作狀態(tài)下疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表4所示，在入水、挖掘、帶載起升的工況下其計(jì)算應(yīng)力值小于材料的疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力值。

5 結(jié)語(yǔ)

1）本文計(jì)算了“津泰”船施工狀態(tài)下不同工況的應(yīng)力分布，并對(duì)船體局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；

表4 工作狀態(tài)下疲勞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Table 4The structure fatigue strength calculation results in working condition MPa

2）通過(guò)上述計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造后反鏟船在最大載荷組合作用條件下船體結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的要求；

3）運(yùn)用NAPA軟件與有限元分析軟件MSC/ Patran&Nastran相結(jié)合方法對(duì)整船強(qiáng)度直接分析計(jì)算，為后續(xù)船舶改裝設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

[1]羅剛，馮志勇，陳定，等.大型反鏟挖泥船集成監(jiān)控系統(tǒng)研制與應(yīng)用[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2015，35（1）：51-54. LUO Gang,FENG Zhi-yong,CHEN Ding,et al.Development and application of integrated monitoring and controlling system for large backhoedredger[J].ChinaHarbour Engineering,2015,35(1):51-54.

[2]中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2015. China Classification Society.Regulations for the classification of sea-going steel ships[M].Beijing:China Communications Press, 2015.

[3]杜慶喜.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算方法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007. DU Qing-xi.Research on the methods of direct strength analysis for the ship structures[D].Wuhan:Wuhan University of Technology, 2007.

[4]中國(guó)船級(jí)社.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南[M].北京：人民交通出版社，2007. China Classification Society.Guide for direct calculation of hull structuralstrength[M].Beijing:China Communications Press,2007.

[5]王杰德，楊永謙.船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995. WANG Jie-de,YANG Yong-qian.Hull strength and structure design[M].Beijing:National Defense Industry Press,1995.

[6]MSC.Patran與Nastran有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008. Examples of MSC.Patran and Nastran finite element analysis[M]. Beijing:Machinery Industry Press,2008.

[7]GB 3811—2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB 3811—2008,Design rules for cranes[S].

FEM strength analysis and calculation of backhoe dredger under construction condition

LIU Rong-zhen1,CHEN Jiu-xiao1,XIAO Bo2
（1.CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300457,China;2.Tianjin Key Laboratory for Dredging Technologies,Tianjin 300457,China）

According to the special structure and working principle of backhoe dredger,we established the finite element model of ship structure,including all the outer plate,deck,transverse bulkhead,longitudinal bulkhead,and all of the horizontal and vertical reinforcing structure;exerted boundary conditions;and expounded the loading and selected working condition of typical conditions.We calculated the whole stress distribution of the backhoe dredger under different conditions,through the whole ship model finite element analysis to evaluate the strength of ship structure,and optimized the local structure,and according to the GB 3811-2008 Design rules for cranes to check its fatigue strength.This method has been successfully applied on a large backhoe dredger belonging to a Chinese dredging company.After in practical dredging,the optimized ship structure meets the functional requirements of practical dredging.

backhoe dredger;finite element model;ship strength;fatigue strength

U674.31

A

2095-7874（2017）05-0028-04

10.7640/zggwjs201705007

2016-10-27

2016-12-15

劉榮振（1985—），男，山東德州人，碩士，工程師，輪機(jī)工程專業(yè)，主要從事船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。E-mail：liurz2008@126.com