49.8m鏈斗式挖砂船結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

馬宏彬

（安徽省皖江船舶檢驗局，安徽 蕪湖 241000）

1 緒論

1.1 選題的背景和意義

為了改善航道條件,提高水運經(jīng)濟效益和社會效益，航道疏浚工作顯得尤為重要。挖砂船作為工程船之一，在江河湖泊的疏浚工程中得到了廣泛應(yīng)用。

挖砂船雖然帶來不菲的經(jīng)濟效益，但是其事故也頻頻發(fā)生，帶來了經(jīng)濟損失和人員傷亡。挖砂船事故已經(jīng)成為水上多發(fā)事故之一，穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強度方面令人堪憂。

1.2 挖砂船主要型式

從挖砂方式上可以分為機械挖砂和吸揚挖砂兩大類。機械挖砂主要是利用沙斗在水下進行作業(yè)，沙斗型式不同，所以可分為抓斗式、鏈斗式、鏟斗式三種。

2 計算要素及模型

2.1 計算船基本情況

本文選取49.8m 鏈斗式挖砂船作為研究分析對象，主尺度如表1 所示。根據(jù)CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）10.1.2.3 工程船的開槽長度一般應(yīng)不大于0.3L，開槽寬度一般應(yīng)不大于0.4B 時，否則尚應(yīng)按本章附錄II 采用直接計算校核船體的結(jié)構(gòu)強度。本船開槽長度33.8m，，不滿足規(guī)范要求。開槽寬度2.5m，，滿足規(guī)范要求。本船尚應(yīng)按規(guī)范采用直接計算方法進行強度校核。

表1 計算船主尺度

2.2 船體建模

利用有限元計算軟件MSC/Patran 和Nastran 對此船進行全船模型有限元分析。對外板、甲板等采用殼單元模擬，其他骨材采用梁單元模擬。圖1 給出了挖砂船的全船有限元模型。

3 總縱強度校核

3.1 邊界條件

開槽區(qū)域兩側(cè)邊浮艙首封板施加橫向、垂向線位移約束，即uy=uz=o；尾封板與首部左舷節(jié)點對應(yīng)的節(jié)點施加縱向、橫向、垂向線位移約束，即ux=uy=uz=o；尾封板與首部右舷節(jié)點對應(yīng)的節(jié)點施加橫向、垂向線位移約束，即uy=uz=o，具體如表2。

表2 全船模型邊界條件

3.2 施加載荷

根據(jù)CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）中1.9.5.10 中對整船模型計算載荷施加做如下要求：

計算載荷應(yīng)包括舷外水壓、貨物載荷和結(jié)構(gòu)重量等；

舷外水壓;貨物載荷;結(jié)構(gòu)重量;平衡調(diào)整：采用整船模型時，總重力與總浮力的誤差不大于0.002 倍排水量（t），重心與浮心的縱坐標(biāo)誤差應(yīng)不大于0.005 倍船長（m），否則應(yīng)重新調(diào)整。

3.3 有限元分析結(jié)果

3.3.1 許用應(yīng)力的確定

根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）第1 篇第1.9.5.13 節(jié)規(guī)定，對該船總縱屈服強度進行校核，細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域應(yīng)力不大于規(guī)定許用應(yīng)力的1.6 倍。

3.3.2 計算結(jié)果匯總

經(jīng)過計算，49.80m 鏈斗挖砂船船體結(jié)構(gòu)總縱強度匯總于表3 中，在讀取有限元結(jié)果時，需要排除因約束造成的不真實的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

表3 總縱強度最大彎曲應(yīng)力及剪切應(yīng)力匯總與校核

3.4 最終方案

綜合考慮經(jīng)濟性和安全性問題，在增加板厚的基礎(chǔ)上增設(shè)折邊型過渡，大幅度避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，保障施工作業(yè)人員安全。49.80m 鏈斗挖砂船船體結(jié)構(gòu)總縱強度匯總于表4 中，滿足強度要求。應(yīng)力集中現(xiàn)象降低，應(yīng)力最大值在船中區(qū)域。

表4 優(yōu)化后總縱強度最大彎曲應(yīng)力及剪切應(yīng)力匯總與校核

4 結(jié)論

本文研究內(nèi)容總結(jié)如下：

（1）通過有限元軟件校核總縱強度，計算中拱狀態(tài)各處最大應(yīng)力滿足要求，中垂?fàn)顟B(tài)橫艙壁板未能滿足強度要求，超出約100Mpa。

（2）通過分析，發(fā)現(xiàn)開槽處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，細(xì)網(wǎng)格區(qū)域（開槽處）彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力明顯高于粗網(wǎng)格區(qū)域。

（3）開槽處板厚設(shè)置為14mm，角隅處改為折邊型過渡，得到的應(yīng)力低于許用應(yīng)力，并存在一定裕度，顯著降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大值在船中區(qū)域，選擇其為最終方案。

本文的相關(guān)研究雖然符合課題要求并達到了相關(guān)目的。但是在研究分析過程中依然存在著以下問題，可以在接下來的研究工作中進行改進和完善。

（1）由于研究時間長度有限，船體結(jié)構(gòu)進行三維有限元建模時，未能使用最優(yōu)化的網(wǎng)格劃分。

（2）本文優(yōu)化方案僅對其經(jīng)濟性、安全性進行考慮，未對其穩(wěn)性、浮性、扛沉性等方面進行進一步考慮。期望以后能在各方面進行綜合性考慮，形成更加完備的設(shè)計方案。