組合式挖泥船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

焦云然， 王 偉， 俞伊姍， 宋月林

(1．浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院, 浙江 舟山 316022； 2. 浙江新樂(lè)造船股份有限公司， 浙江 寧波315048)

0 引 言

我國(guó)海域廣闊，江河湖庫(kù)縱橫，擁有豐富的水利資源，基于港口航道治理、水利設(shè)施維護(hù)、礦砂開采等事業(yè)，疏浚業(yè)已成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要行業(yè)。挖泥船作為重要的疏浚設(shè)備，市場(chǎng)需求越來(lái)越高[1]。目前，工程使用的挖泥船以耙吸式和鉸吸式為主，相比于耙吸式，鉸吸式挖泥船用途廣泛，幾乎適用于所有土質(zhì)[2-3]，且經(jīng)濟(jì)性好，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)物料挖掘和輸送。不同于常規(guī)的挖泥船，組合式挖泥船由幾個(gè)獨(dú)立的箱體連接而成，可以在水運(yùn)不通的水域間來(lái)回運(yùn)輸，同時(shí)也極大地方便了船體的維修和保養(yǎng)，甚至可通過(guò)更換破損箱體來(lái)延長(zhǎng)使用壽命，在內(nèi)河水域有廣闊市場(chǎng)。

組合式鉸吸挖泥船有著不同于常規(guī)船型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[4]，其艏部的大開口以及安裝在船體間的連接會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響，因此，對(duì)于這類船舶，必須采用合適的方法對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究。本文建立組合式鉸吸挖泥船整船模型，并用合理的方式模擬各箱體間的連接方式，利用大型商用有限元軟件MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN分析該船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[5-6]。

1 船體模型

1.1 主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式

組合式鉸吸挖泥船總長(zhǎng)50.40 m，型寬8.18 m，型深2.60 m，設(shè)計(jì)吃水為1.20 m，主船體由8個(gè)尺寸相同的箱體通過(guò)快速插銷連接而成，每個(gè)箱體長(zhǎng)16.80 m，寬2.70 m，高2.60 m，為單殼、單底結(jié)構(gòu)，箱體的布置如圖1所示。

圖1 浮箱布置圖

1.2 有限元模型

由于組合式鉸吸挖泥船不同于其他常規(guī)船型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了能更好地反映全船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，尤其是連接部位的強(qiáng)度，本文有限元建模采用全船模型，有限元模型如圖2所示。對(duì)組合式挖泥船而言，各浮箱間的連接是整體的關(guān)鍵，因此，選擇合理的方式來(lái)模擬連接裝置對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究是至關(guān)重要的。船體8個(gè)浮箱采用快速插銷連接，本文采用梁?jiǎn)卧M插銷連桿，然后用多點(diǎn)約束(Multi-Point Constraint， MPC)形式與船體相連，如圖3和圖4所示。平面抗扭架與1、2號(hào)箱體，1、4號(hào)箱體及2、4號(hào)箱體間的重磅法蘭板用螺栓連接，螺栓采用梁?jiǎn)卧M，如圖5和圖6所示。

圖2 全船有限元模型

圖3 箱體連接插銷處MPC有限元模型

圖4 箱體連接裝置連桿有限元模型

圖5 平面抗扭架與1、2號(hào)箱體螺栓有限元模型

圖6 1、4號(hào)箱體間重磅法蘭板螺栓有限元模型

2 邊界條件及計(jì)算工況

2.1 邊界條件

本文采用整船模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，為了消除船體的剛體位移，采用3點(diǎn)約束，在船體艏艉節(jié)點(diǎn)設(shè)置約束條件，其中，艉端點(diǎn)限制縱向、橫向和垂向位移，左舷艏端點(diǎn)限制橫向和垂向位移，右舷艏端點(diǎn)限制垂向位移。

2.2 計(jì)算工況

考慮波浪對(duì)船體的影響，結(jié)合穩(wěn)性計(jì)算資料，本文計(jì)算了吸泥船絞刀架在平放懸吊、15 m挖深、30 m挖深等3種狀態(tài)下的4種工況。計(jì)算結(jié)果表明：3種狀態(tài)下，船體及箱體連接裝置的應(yīng)力結(jié)果總體相差不大，因此，本文選取15 m挖深下的4種工況進(jìn)行說(shuō)明。

(1) 作業(yè)工況1：全部燃料及備品，中拱狀態(tài)；

(2) 作業(yè)工況2：全部燃料及備品，中垂?fàn)顟B(tài)；

(3) 作業(yè)工況3：10%燃料及備品，中拱狀態(tài)；

(4) 作業(yè)工況4：10%燃料及備品，中垂?fàn)顟B(tài)。

3 載荷計(jì)算及施加

有限元模型的載荷包括舷外水壓、作業(yè)載荷和結(jié)構(gòu)重量等3部分。

舷外水壓根據(jù)計(jì)算工況船舶處于平衡狀態(tài)時(shí)的設(shè)計(jì)波面確定[7]，按壓力分布施加到模型濕表面各單元上。設(shè)計(jì)波等效為余弦波，波長(zhǎng)等于船長(zhǎng)，波高h(yuǎn)e為

he=aw×(29 593 m-120.89L+

0.223 21L2)×10-4=1.44 m

(1)

式中：L為船長(zhǎng)，50.40 m；aw為航區(qū)波高修正系數(shù)，B級(jí)航區(qū)，取系數(shù)aw=0.6。

舷外水壓為

(2)

式中：ρw為淡水密度，取1.0 t/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2；d為設(shè)計(jì)吃水，1.20 m；x為計(jì)算點(diǎn)至坐標(biāo)原點(diǎn)水平距離，m；z為計(jì)算點(diǎn)至基線的垂向距離，m。

由于本船未設(shè)置儲(chǔ)存泥沙艙，吸上來(lái)的泥沙直接排到岸上或泥駁上，因此貨物載荷可以忽略不計(jì)。燃油及壓載水重量根據(jù)作業(yè)工況按壓力分布施加到對(duì)應(yīng)的船體上。本文中結(jié)構(gòu)重量考慮了船體自重、上層建筑重量、舾裝件重量及鉸刀架、機(jī)架重量。船體自重取鋼料密度為7.85×10-9t/mm3，以重力加速度的形式施加。上層建筑及舾裝件重量均按質(zhì)量點(diǎn)單元形式施加在對(duì)應(yīng)的位置上。鉸刀架及機(jī)架上施加的力通過(guò)鉸刀架、機(jī)架有限元模型約束反力求得，以建立MPC的形式施加在模型上。

4 計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力分析變化

4.1 總縱強(qiáng)度

通過(guò)全船有限元計(jì)算分析，該組合式吸泥船各構(gòu)件的計(jì)算值都低于許用值，強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，各工況下全船模型應(yīng)力值如表1所示，以工況1為例的計(jì)算云圖如圖7～圖18所示。根據(jù)有限元分析，發(fā)現(xiàn)4個(gè)工況下，全船應(yīng)力最大點(diǎn)均出現(xiàn)在船中箱體連接處。在波浪中拱(工況1、3)下，應(yīng)力最大點(diǎn)在1、3號(hào)箱體連接處，而在波浪中垂(工況2、4)下，出現(xiàn)在5、8號(hào)箱體連接處。

表1 各構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算匯總 MPa

圖7 主甲板、外底板、舷側(cè)外板、縱艙壁σe云圖

圖8 主甲板、外底板、舷側(cè)外板、縱艙壁σ1云圖

圖9 主甲板、外底板、舷側(cè)外板、縱艙壁τ云圖

圖10 甲板縱桁、龍骨腹板最大σe云圖

圖11 甲板縱桁、龍骨腹板σ1云圖

圖12 甲板縱桁、龍骨腹板τ云圖

圖13 甲板縱桁、龍骨面板σz云圖

圖14 橫艙壁σe云圖

圖15 橫艙壁τ云圖

圖16 強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨、實(shí)肋板腹板σe云圖

圖17 強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨、實(shí)肋板腹板τ云圖

圖18 強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨、實(shí)肋板面板σz云圖

4.2 連接裝置

對(duì)組合式鉸吸挖泥船而言，各浮箱間的連接是整體的關(guān)鍵，通過(guò)有限元計(jì)算得到4種工況下各連接裝置的最大應(yīng)力值，如表2所示，圖19～圖24為工況4下的應(yīng)力云圖。由圖19和圖20可看出：插銷上下兩端均受到較大的力，說(shuō)明箱體間采用插銷的形式連接可以將力分散到上下兩端，使連接裝置受力更加合理。

表2 各連接件裝置應(yīng)力計(jì)算匯總 MPa

圖19 箱體連接裝置最大σz云圖 圖20 箱體連接裝置τ云圖

圖21 平面抗扭架與1、2號(hào)箱體連接螺栓σz云圖

圖22 平面抗扭架與1、2號(hào)箱體連接螺栓τ云圖

圖23 1、4號(hào)箱體間重磅法蘭板連接螺栓σz云圖

圖24 1、4號(hào)箱體間重磅法蘭板連接螺栓τ云圖

5 結(jié) 論

本文利用大型商用有限元軟件MSC/PA-TRAN、MSC/NASTRAN對(duì)組合式挖泥船的總縱強(qiáng)度及箱體間的連接裝置進(jìn)行有限元分析，分析計(jì)算表明：

(1) 通過(guò)全船有限元直接結(jié)算，本船15 m挖深4種工況下各構(gòu)架的最大應(yīng)力都在材料的許用范圍以內(nèi)，且存在較大的富余，滿足強(qiáng)度要求。

(2) 絞刀平放懸吊、15 m挖深、30 m挖深等3種狀態(tài)下，有限元應(yīng)力分析結(jié)果相差不大，說(shuō)明對(duì)本船而言，絞刀的工作狀況不是影響其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素。

(3) 在4種工況下，本船的應(yīng)力最大點(diǎn)均出現(xiàn)在船中的箱體連接插銷處，船體的中拱最大點(diǎn)位于船體首部1、3和2、5號(hào)箱體連接處，而中垂時(shí)位于尾部5、8和3、6號(hào)箱體連接處。

(4) 平面抗扭架及重磅法蘭連接處應(yīng)力很小。

本船快速連接插銷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作流程方便，船體可分解運(yùn)輸、組合，使其在內(nèi)陸水域清淤疏浚具有廣泛推廣前景。采用上下兩處遠(yuǎn)端連接，相比于傳統(tǒng)隼接形式只有靠近甲板端受力的情況，插銷型式能將力更好地分解到上下兩端，使連接件的受力更加合理。本船的計(jì)算分析可為今后同類型船舶的設(shè)計(jì)提供參考。

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