某大型自航耙吸式挖泥船全船結(jié)構(gòu)有限元分析

郭海濤，張燁榮

（1. 中國交通建設集團上海航道局中港疏浚有限公司，上海 200136；2. 紐卡斯爾大學工程學院，英國紐卡斯爾，NE17RU）

0 引言

近年來，隨著結(jié)構(gòu)復雜、功能強大的各式挖泥船的出現(xiàn)，疏浚行業(yè)已從區(qū)域性朝向全球性快速發(fā)展，包括航道的維護與疏浚、沿海港口建設、圍海造地和近岸工程建設等。自航耙吸式挖泥船是一種具有自航能力，可利用離心式泵浦作業(yè)，適于在沿?；蛏詈：叫械囊苿邮教胤N工程船。對于此類型挖泥船而言：裝載作業(yè)是在船舶緩慢前進的情況下進行的；卸載作業(yè)通常是通過船底布置的泥門或泵浦進行的，后一種情況通常是通過泥泵將貨物泵送至近岸。由于該船特殊的作業(yè)性質(zhì)，其甲板上具有1 個大型開口，船底結(jié)構(gòu)上具有多個不連續(xù)開口，這種在結(jié)構(gòu)上存在嚴重不連續(xù)性的船舶易引起應力水平突變。圖1 為典型自航耙吸式挖泥船的中部橫剖面圖和內(nèi)底板基本結(jié)構(gòu)圖。

圖1 典型自航耙吸式挖泥船的中部橫剖面圖和內(nèi)底板基本結(jié)構(gòu)圖

挖泥船的泥艙段底部有多個不連續(xù)的開口，這是由挖泥船的作業(yè)性質(zhì)決定的。這種設計不僅能增加泥艙的裝載空間，而且能將淡水艙、燃油艙和浮力艙布置在船體兩側(cè)，泥艙在調(diào)遣航行工況下可作為壓載水艙使用。通常情況下，泥艙段長度與船舶總長度之比較小，在0.20 ～0.35。然而，隨著技術的不斷發(fā)展，這一比值通常大于0.35。這就意味著在對這類船舶的總縱強度和扭轉(zhuǎn)強度進行分析時，應對此給予足夠的重視。此外，泥艙段通?？裳b載5000 ～25000 t泥沙，然而當這些貨物分布在泥艙段時，艏艉兩端的重量相對較小，在這種情況下，船舶的靜水中垂彎矩是相當大的。另外，對于挖泥船而言，方形系數(shù)對船體強度的影響很大。本文所述目標船的方形系數(shù)為0.875，其彎矩載荷在中垂狀態(tài)下很容易增大至正常狀態(tài)下的2 倍。因此，需著重對中垂狀態(tài)進行分析計算。然而，對于該類型船而言，貨物裝載和卸載順序的重要性也不容忽視，盡管船體整體坍塌的情況很少出現(xiàn)，但重量分布對于以靜水彎矩為主的船舶來說，尤其是對于此類未在泥艙段增設水密橫隔板的挖泥船來說，是非常重要的。圖2 為中部泥艙段結(jié)構(gòu)的前后2 道水密橫隔板。

圖2 中部泥艙段結(jié)構(gòu)的前后2道水密橫隔板

1 全船結(jié)構(gòu)有限元分析

全船結(jié)構(gòu)有限元分析方法雖然建模工作量較大，但能模擬各種載荷和海況，能適應復雜的邊界條件，所得結(jié)果較為精確，在工程領域的應用十分廣泛。該方法的流程如下：

1）將全船結(jié)構(gòu)劃分為若干個子結(jié)構(gòu)，對于主要構(gòu)件，按其受力狀況建立合適的結(jié)構(gòu)單元，例如殼單元和梁單元等，這樣可詳盡地描述船體結(jié)構(gòu)的各個細節(jié)，真實地表達出全船結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)關系和變化；

2）利用統(tǒng)計方法求出波浪的長期預報極值，確定反映長期極值概率特性的設計波；

3）求出設計波的波浪載荷，并將其施加到全船結(jié)構(gòu)有限元模型上，通過大量的方程組求解，得到各主要構(gòu)件的實際變形和應力。

本文的仿真計算均采用挪威船級社開發(fā)的有限元分析軟件SESAM完成，具體分析流程圖和目標船主尺度參數(shù)分別見圖3 和表1。

圖3 仿真計算分析流程圖

表1 目標船主尺度參數(shù)

1.1 建立全船結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)實際船舶的結(jié)構(gòu)形式、受力情況、精度要求和計算的最終目的，運用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)力學知識和成熟的有限元技術對實際船舶結(jié)構(gòu)進行簡化，選用適當?shù)挠邢迒卧M得出相關模型，具體包括船體結(jié)構(gòu)有限元模型、水動力面元模型和質(zhì)量模型。

1.1.1 船體結(jié)構(gòu)有限元模型

船體結(jié)構(gòu)有限元模型應能正確反映船體主要結(jié)構(gòu)的剛度特性。在本文中，船體結(jié)構(gòu)有限元模型由27063個節(jié)點和31441個單元組成（見圖4）。重力、浮力、波浪載荷和慣性力分別施加在這些節(jié)點或單元上。

圖4 某大型自航耙吸式挖泥船結(jié)構(gòu)有限元模型（SESAM／GeniE模塊）

1.1.2 水動力面元模型

本文通過三維源匯理論計算波浪動力載荷，因此需建立合適的水動力面元模型。將船體外表面定義為濕表面，將跨越水線面的船體外表面網(wǎng)格切分為水線面上、下2 部分，水線面以上的部分認為不受波浪水動力載荷的作用。在本文中，水動力面元模型由2408 個單元組成。

1.1.3 質(zhì)量模型

在將船體結(jié)構(gòu)離散為有限元模型之后，應將船上的固定設備和貨物質(zhì)量離散到有限單元的節(jié)點上，不僅要滿足總重量和重心位置與實際工況一致，而且要保證質(zhì)量分布與實船的一致性，這對于船體運動的慣性力計算而言是至關重要的。定義完質(zhì)量之后，選取總排水量G、重心在X軸方向的坐標x和重心在Z軸方向的坐標Z等控制參數(shù)，并保證總排水量、整船模型的重心縱向位置和垂向位置與實際相符。若不相符，則重新進行調(diào)整。在本文中，以100%油水及備品的調(diào)遣出港航行工況為例，根據(jù)實際船舶資料進行調(diào)整，最終確定質(zhì)量模型。SESAM／HydroD模塊輸出的模型重量分布、靜水彎矩和靜水剪力結(jié)果與實船裝載手冊結(jié)果對比見圖5。

圖5 SESAM／HydroD模塊輸出的結(jié)果與實船裝載手冊結(jié)果對比

1.2 船體載荷

船舶總體強度主要由重力、靜水浮力和波浪力等3 項外部載荷組成。前2 項主要由船體的尺寸、吃水和型線決定。只有波浪載荷是隨機統(tǒng)計量，需根據(jù)現(xiàn)有的海洋波浪統(tǒng)計資料將目標船置于海洋環(huán)境中，計算船體在波浪中的運動和載荷。由于海洋波浪是不規(guī)則波浪，包含復雜的諧波成分，且與船舶在不同方向遭遇。因此，首先需研究船舶在規(guī)則波中的響應特性，其次研究船舶在不規(guī)則波中的運動響應和誘導載荷，并結(jié)合國際海洋觀測統(tǒng)計資料得到船舶在指定海域航行時，其運動與載荷響應的長期預報結(jié)果，從而對船舶承受的波浪載荷作出全面、科學、合理的模擬仿真和描述。

與大部分的船舶運動仿真模擬相似，在船舶搖蕩運動計算中，參考坐標系的原點取中縱剖面、水線面和重心所在橫剖面的交點；X軸位于中縱剖面，指向船首；Y 軸指向左舷；Z 軸垂直于水線面向上。船舶在海上航行時會產(chǎn)生6 個自由度的剛體運動，因此在船舶的截面上可產(chǎn)生6 個方向的波浪誘導載荷。

1.3 波浪誘導載荷長期預報

為觀察不同浪向角的波浪對船體運動和誘導載荷的影響，本文共選取13 個浪向角，在0° ～180°范圍內(nèi)每隔15°選1 個。浪向角定義為：沿船長方向指向船首為0°，指向船尾為180°，指向左舷為90°。利用SESAM／Postresp模塊進行水動力分析，可得出船中截面垂直彎矩、船中截面扭矩、1 號泥門截面扭矩和7 號泥門截面扭矩的響應幅值算子（RAOs）計算結(jié)果。在長期預報計算中，假設這13 個浪向角等概率作用在船體上。本文根據(jù)挪威船級社北大西洋波浪散布圖，結(jié)合基于三維輻射-繞射理論計算得到的船體運動和載荷傳遞函數(shù)，采用Pierson-Moskowitz波浪譜模擬波浪散布圖中的各種海況，運用二參數(shù)Weibull分布擬合長期分布，分別對船中垂直彎矩、船中扭矩、1 號泥門截面扭矩和7 號泥門截面扭矩等主要載荷參數(shù)進行長期預報。

1.4 設計波法

在實際工程應用中，在得到長期預報結(jié)果之后，通常采用設計波法，給出一個確定的波浪，按一定的方向和相位將其作用于船體上，計算相應的船體構(gòu)件應力。這樣的計算比較簡單，所得結(jié)果比較直觀，易于分析和認識。根據(jù)美國船級社2016年發(fā)布的關于設計波法的指南，設計波波幅a的計算公式為

式（1）中：MPEV為假定超越概率為10的長期預報值；Max.RAO為響應函數(shù)的峰值。波長和相位角的計算公式同樣由該指南給出。根據(jù)以上設計波思想和確定的方案，調(diào)遣出港工況下的強度分析設計波參數(shù)見表2。

表2 調(diào)遣出港工況下的強度分析設計波參數(shù)

從表2 中可看出，60°和120°浪向角是此類船舶在扭矩強度方面極為敏感的浪向角。值得一提的是，NUMATA與IIJIMA等對集裝箱船的試驗研究結(jié)果相似，LI等也利用挪威船級社開發(fā)的SESAM軟件對集裝箱船進行了仿真，得出了類似的結(jié)論。

由圖6 可知，在垂直彎矩設計波載荷與靜水載荷疊加的工況下，自航耙吸挖泥船泥艙段的甲板艙口角處發(fā)生較大的變形，產(chǎn)生較大的應力，有應力集中的現(xiàn)象。該仿真結(jié)果與SUN等對甲板大開口船舶（例如集裝箱船）進行試驗所得結(jié)果極為接近。這一點應引起設計單位和船廠的足夠重視。

圖6 靜水載荷與船中垂直彎矩設計波載荷下的泥艙段應力云圖

諸多仿真結(jié)果都將自航耙吸式挖泥船趨向于甲板上具有大開口的集裝箱船，但自航耙吸挖泥船不僅在甲板上具有大開口，而且在底部設計有不連續(xù)的開口，以滿足卸載作業(yè)需求。為探究是否存在一些特殊的結(jié)構(gòu)設計彌補船底結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性導致的剛度減弱，將結(jié)構(gòu)有限元模型中的蜂窩龍骨（三角艙）結(jié)構(gòu)移除，與原模型進行形變仿真結(jié)果對比。

圖7 和圖8 為船底1 ～7 號雙排泥門結(jié)構(gòu)在靜水載荷與船中彎矩和船中扭矩設計波載荷的組合海況下有無三角艙結(jié)構(gòu)時的應力最大值對比。

圖7 船中彎矩設計波和靜水載荷組合海況下的應力值

圖8 船中扭矩設計波和靜水載荷組合海況下的應力值

1.5 變形和應力結(jié)構(gòu)處理

通過長期預報得出設計波之后，定義船舶作為一個漂浮體的邊界條件，即船尾甲板與中縱剖面和尾封板相交處為簡支，并約束Y方向的位移；在船首主甲板與中縱剖面及艏柱所在橫剖面相交處，約束Y方向和Z方向的位移；在船尾封板與中縱剖面相交處，約束X方向、Y方向和Z方向的位移，可針對每個設計波計算船體的變形和應力。

從仿真結(jié)果中可看出，具有三角艙結(jié)構(gòu)的模型在很大程度上為船底泥門結(jié)構(gòu)提供了抗彎矩和抗扭矩能力。尤其是接近于艏部的1 號泥門位置，此處最大的抗彎矩和抗扭矩貢獻值均超過250%。

另外，對該船的中部泥艙段無水密橫隔板的結(jié)構(gòu)特征進行探究。如圖2 所示，此類船型的泥艙段只有前、后2 道水密橫隔板。在本文中，設計波浪下靜水荷載占總載荷的88.66%。因此，在極端海況下，靜水載荷仍是垂向彎矩的主要荷載。由于靜水彎矩主要取決于重量沿長度方向的分布，而貨物是重量變化的最重要影響因素，因此貨物的裝卸不僅會使船體的靜水彎矩發(fā)生較大變化，甚至會對船體造成損傷。此外，結(jié)合挖泥船的實際操作狀態(tài)，由于其任務性質(zhì)不同，在短時間內(nèi)，其裝卸頻率非常高（每天多達4 次）。因此，探討裝卸貨對挖泥船靜水彎矩的影響對挖泥船設計有一定的參考價值。另外，值得注意的是，與集裝箱船、散貨船等一般船舶不同，該類型船在泥艙段沒有布置水密的橫向艙壁。因此，該類型船中貨艙的卸貨順序由底部泥門打開的順序決定。船舶的卸貨順序?qū)Υw彎矩和剪力曲線有很大的影響，具體見圖9。

圖9 貨物集中和隔艙對船體彎矩和剪力曲線的影響

然而，自航耙吸式挖泥船通常對船底的泥門保留有特殊設計，本文所述船舶的船底布置有7 列雙排泥門，其中2 號和6 號泥門作為預卸泥門，其尺寸與普通泥門略有不同。從總縱彎矩強度和扭矩強度的角度考慮，預卸泥門的設計和布置正是起到間隔卸貨，進而減輕彎矩和扭矩對船體的影響的作用。

2 結(jié)語

1）斜浪對自航耙吸式挖泥船的船體結(jié)構(gòu)極為敏感，尤其是浪向角為60°和120°的波浪載荷。因此，對于此類船舶而言，在調(diào)遣跨洋航行時，應盡量避免斜浪對船體造成的疲勞損傷。

2）雖然自航耙吸式挖泥船不僅具有與集裝箱船類似的甲板大開口結(jié)構(gòu)設計，而且其船底具有不連續(xù)的開口泥門，但因其蜂窩龍骨（三角艙）的特殊設計，在總縱強度方面很大程度提高了結(jié)構(gòu)剛度，在扭矩強度方面增加了截面模數(shù)，為抗扭矩提供了有效幫助，尤其是對船底的泥門結(jié)構(gòu)，由此導致了此類挖泥船的結(jié)構(gòu)特征與集裝箱船極為相似。

3）由于沒有在泥艙段布置水密橫隔板，在合理位置處設計了預卸泥門，應對卸貨時可能造成的貨物重量分布不均的情況。因此，駕駛員應嚴格遵守卸貨的操作規(guī)范，尤其在貨物密度較大的作業(yè)區(qū)域，否則會因貨物在短時間內(nèi)卸載的分布不合理，導致彎矩變形過大，對船體結(jié)構(gòu)造成不可預見的破壞。