鏈斗式挖砂船直接計算分析

潘甜

摘要：砂石作為建筑工程中的基礎材料，是混凝土的底子質料。由于砂石需求量極大，采集砂石的船舶數(shù)量也劇增，砂石船的結構復雜，應力分布不確定性較大，因此對挖砂船的強度校核十分必要。本文以36.5米鏈斗式挖砂船為研究對象，采用MSC.Patran&Nastran軟件，對船體全船結構進行建模，計算分析及評估。對同類型的挖砂船強度評估具有一定的參考。關鍵詞：挖砂船;直接計算;結構強度;有限元

中圖分類號：U66文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0108-03

1引言

砂石是自然界中豐富的自然資源，由于其中含有硅元素，可以很好地用于制作玻璃;由于是很好的阻燃物質，可做消防存儲裝備。砂石還是我國質優(yōu)價廉的建筑材料之一[1]，近些年來，隨著各種工程建設的發(fā)展，我國砂石需求持續(xù)不斷增長。挖砂產業(yè)的發(fā)展，在節(jié)約能源及材料的同時，使得經濟效益和社會效益得到了顯著的提升。

砂石的采集與運輸都需要使用特定船舶——挖砂船，挖砂船的種類主要有抓斗式挖砂船、絞吸式挖砂船、鏈斗式挖砂船。鏈斗式挖砂船是驅動斗橋循環(huán)運轉，使得多個斗循環(huán)連續(xù)挖砂。絞吸式挖砂船采用鉸刀切碎河砂由離心泵吸入進行作業(yè)。抓斗式挖砂船采用旋轉式抓斗機進行作業(yè)。挖砂船不僅可以作為挖砂的工具，還可以對河道進行淤泥及垃圾清理，為環(huán)境作出重要貢獻。

由于挖砂船特殊的結構形式，缺乏相應的規(guī)范，給設計人員帶來諸多不便。國內也有很多學者對挖砂船的計算及設計進行了專門的研究。

楊凱[2]對鏈斗式挖砂船結構強度進行了分析及優(yōu)化，鏈斗式挖砂船由于工作運轉連續(xù)及聯(lián)合作用的外部風浪力會導致船體結構應力集中，有時會超出結構強度的應力限值，因此需要對挖砂船進行強度校核，尤其是工作狀態(tài)時，確定應力集中區(qū)域及最大變形位置，并在不滿足要求的情況下對其優(yōu)化。

覃達斌[3]研究了珠江上游水域挖砂船結構強度直接計算，計算結果表明直接計算結構強度相比于比總縱強度計算，安全余量更為大一些，對結構考慮上，有限元直接計算相對更全面。

本文以36.5米鏈斗式挖砂船為研究對象，采用MSC.Patran&Nastran軟件，對船體全船結構進行建模，計算分析及評估。

2有限元模型計算

2.1有限元模型建立

36.5米挖砂船主尺度為：總長37.6m，假艉長1.1m，水線長36.5m，型寬8m，型深1.4m，吃水0.8m，肋距0.55m，載貨量15t，航區(qū)為B級航區(qū)。36.5米挖砂船總布置圖見圖1所示。典型橫剖面結構圖見圖2。

根據《鋼質內河船舶建造規(guī)范》（2016）開槽式工程船結構直接計算要求，采用三維有限元模型，本船為左右對稱結構，模型范圍為整船;橫向為整個船寬，各船體構件采用殼單元和梁單元進行模擬。本模型坐標系系統(tǒng)采用右手坐標系，見圖3所示，原點位于0#中縱剖面船底處，x軸向船首為正方向，y軸向左舷為正方向，z軸向上為正方向。模型如圖4所示。張少雄[4]研究了船體結構強度直接計算中應用慣性釋放，結果證明是可行的，且能更合理的評估結構強度，本文邊界條件亦是采用慣性釋放法。

2.2計算工況及載荷

對本船強度進行直接計算時，按下表1工況進行。按照細砂艙艙空載無泥（中垂、中拱），細砂艙滿載（中垂、中拱）進行計算。

載荷主要包括舷外水壓力和泥砂總重量。泥砂總重量為15t，均勻分布在細砂池內。舷外水壓力為等效設計余弦波，波長取船長，其波高為he按下式取值：

h=1.5k

式中：k—系數(shù)，k=-0.0018B+0.021B+1.082，取不大于1.0且不小于0.333;B—船寬，m。

3分析結果匯總

圖4給出了該艘挖砂船無泥中拱狀態(tài)下的相當應力，甲板、舷側板、船底板最大應力值為24.0MPa，最大應力位置在船首底部，并呈集中式，船中是第二大應力較大范圍。龍骨及船底縱桁的最大應力在靠近船艉，最大應力為63.1MPa，并據此向船首方向兩個肋位距離應力也教周圍范圍變大。橫艙壁最大應力為19.5MPa，靠近船艉端。強橫梁、強肋骨、實肋板最大應力也在靠近船尾處。圖5給出了該艘挖砂船有泥中拱狀態(tài)下的相當應力，有泥狀態(tài)對船舶結構受力趨勢影響較小，一定程度上會導致所有構件應力的增加。

圖6給出了該艘挖砂船無泥中垂狀態(tài)下的相當應力中垂狀態(tài)下的相當應力，甲板、船底板、舷側板最大應力為27.3MPa，最大應力位置在船尾甲板位置，呈集中式，小范圍過渡。船首是第二大應力較大范圍。龍骨及船底縱桁最大應力為48.9MPa，在船中位置。橫艙壁最大應力為14.7MPa，在靠近槽口的未開槽橫艙壁底部。強橫梁、強肋骨的最大應力在船中部。圖7給出了該艘挖砂船有泥中拱狀態(tài)下的相當應力。有泥狀態(tài)對船舶結構受力趨勢影響較小，但會一定程度上減小各構件的應力。

根據《鋼質內河船舶建造規(guī)范2018》結構強度直接計算規(guī)定的許用應力標準，各構件的應力匯總見表2。各構件計算的等效應力、船長方向應力和剪應力均小于許用應力。表明各構件滿足規(guī)范要求。

4結論及建議

（1）由表2可得，本文的36.5米挖砂船船體局部強度滿足規(guī)范要求。

（2）從36.5米挖砂船結構及船體有限元應力分析結果中可得：根據應力分布，設計時應注意的應力較大位置有：船首船底板與船尾甲板處;橫艙壁靠近槽口處未開槽船中底部;甲板縱桁、龍骨及船底縱桁船中部。

（3）計算分析的過程表明，準確的模型建立、合理的網格劃分、科學的載荷模擬及正確的邊界條件約束是有限元計算的保證。

參考文獻：

[1]魏健斌.強化源頭綜合治理根治運砂船超載安全隱患[J].武漢交通職業(yè)學院學報，2013，15（03）：14-17.

[2]楊凱.鏈斗式挖泥船結構強度分析及優(yōu)化[D].大連理工大學，2018.

[3]覃達斌.珠江上游水域挖砂船結構強度直接計算研究[D].武漢理工大學，2013.

[4]張少雄，楊永謙.船體結構強度直接計算中慣性釋放的應用[J].中國艦船研究，2006（01）：58-61.

[5]中國船級社.鋼質內河船舶建造規(guī)范[M].北京人民交通出版社，2009.