快速裝配式絞吸挖泥船模塊化連接技術

張 俊，于國躍

（中交海洋工程船舶技術研究中心有限公司，上海 200125）

0 引言

隨著人類活動干擾加劇，目前我國眾多湖泊都面臨不同程度的環(huán)境污染，水體富營養(yǎng)化和生態(tài)系統(tǒng)退化等問題顯著，引起了各級政府和社會各界的廣泛關注。為了治理湖泊的污染問題，一系列的綜合治理工程陸續(xù)開展。湖泊的污染外源逐步地得到控制，但是湖底長時間沉積的污泥，成為了湖泊水體污染不可忽視的內部源頭。治理湖泊內源污染最為有效的途徑是環(huán)保疏浚，把污染淤泥清除出去。隨著疏浚清淤工程不斷地開展，配套的疏浚裝備的需求量也不斷增長[1]。

對于水路運輸不便的施工區(qū)域，現(xiàn)有的挖泥船多具有體積大、質量大、無法拆解等情況，無法通過陸運方式調遣。因此，為了完成湖泊的清淤綜合治理，適應于湖泊施工的高效環(huán)保疏浚裝備存在較大缺口。

本文研究的快速裝配式絞吸挖泥船，在建造、調試完成后，可拆解成多個單元，采用公路運輸方式，在施工區(qū)域現(xiàn)場進行拼裝，解決湖泊疏浚施工裝備匱乏的情況?？焖傺b配式絞吸挖泥船模塊單元的大小和數(shù)量，可以根據(jù)當?shù)剡\輸和拼裝條件的限制，做定制化設計。同時，該船型具有高效、環(huán)保、精準施工等特點。將會給湖泊的清淤綜合治理提供強有力的裝備支撐[2-3]。

1 船舶概況

快速裝配式絞吸挖泥船課題項目（簡稱“本船”），是1艘非自航、鋼質、箱型組合式絞吸式挖泥船，主要用于內河、湖泊水域內的水利和環(huán)保疏浚工程。

其基本參數(shù)如下：總長約43.41 m，浮箱長34.50 m，型寬約9.02 m，型深約2.10 m。

本船主船體可分為7個浮箱模塊，浮箱模塊示意見圖2。浮箱模塊1對應邊浮箱47～69（左）；浮箱模塊2對應邊浮箱26～47（左）；浮箱模塊3對應邊浮箱47～69（右）；浮箱模塊4對應邊浮箱26～47（右）；浮箱模塊5對應主浮箱；浮箱模塊6對應尾部浮箱（左）；浮箱模塊7對應尾部浮箱（右）。

2 各模塊間連接結構

考慮現(xiàn)場施工和模塊連接便利性，模塊連接安裝順序為：浮箱模塊5水平放置；浮箱模塊2、模塊4、模塊6、模塊7和模塊5連接；最后將浮箱模塊1、模塊3分別與浮箱模塊2、模塊4連接。

模塊間連接結構主要采用2種連接形式：水線以上采用間隔150 mm～200 mm的M39螺栓連接，螺栓螺紋端側板使用厚板且兩側板總厚度大于螺栓長度以保證水密，見圖3；水線以下在船底結構設置卡扣結構，見圖4[4-5]。

2.1 浮箱模塊1、浮箱模塊3 分別與浮箱模塊2、浮箱模塊4 的連接結構

浮箱模塊2、4主甲板高度與主船體保持一致為距基線2 460 mm；而浮箱模塊1、3主甲板高度降低到距基線1 880 mm。模塊間連接結構采用典型的上部螺栓，下部卡扣結構連接，見圖5。

2.2 浮箱模塊2、浮箱模塊4 分別與浮箱模塊5的連接結構

浮箱模塊2、模塊4、模塊5主甲板高度均為距基線2 460 mm，可借用FR26和FR42錯位處做縱向延伸板后用螺栓連接，見圖6。

2.3 浮箱模塊6、浮箱模塊7 分別與浮箱模塊5的連接結構

浮箱模塊5、浮箱模塊6、浮箱模塊7主甲板高度均為距基線2 460 mm，可借用FR16橫向封板錯位處做橫向延伸板后用螺栓連接，見圖7。

3 模塊連接結構強度校核

本船選取2個典型工況來校核模塊連接結構強度，分別是吊裝工況和100%補給品作業(yè)工況。

3.1 吊裝工況載荷計算

吊裝工況指的是，本船在陸地上組裝完畢后，整船吊裝至水里的工況?？紤]極端情況下，吊耳均設置在浮箱模塊5上，其他模塊的質量都依靠模塊間連接結構承受。此時，各浮箱模塊質量和質量中心位置見表1。

表1 吊裝工況浮箱模塊質量表

根據(jù)表1，可計算得到各浮箱模塊間連接結構的剪力和彎矩，見表2。

表2 吊裝工況浮箱模塊間剪力和彎矩表

考慮螺栓組承受全部剪力，疊加彎矩，各浮箱模塊連接結構間分配到單個螺栓的最大受力見表3。

表3 吊裝工況浮箱模塊間單螺栓最大受力表

考慮卡扣結構承受全部剪力，疊加彎矩，各浮箱模塊連接結構間單位長度（單位：m）卡扣結構的最大受力見表4。

表4 吊裝工況浮箱模塊間單位長度（m）卡扣結構受力表

3.2 100%補給品作業(yè)工況載荷計算

100%補給品作業(yè)工況下，各浮箱模塊質量和質量中心位置見表5，各浮箱模塊浮力和浮心位置見表6。

表5 100%補給品作業(yè)工況浮箱模塊質量表

表6 100%補給品作業(yè)工況浮箱模塊浮力表

根據(jù)表5、表6，可計算得到各浮箱模塊間連接結構的剪力和彎矩，見表7。

表7 100%補給品作業(yè)工況浮箱模塊間剪力和彎矩表

考慮螺栓組承受全部剪力，疊加彎矩，各浮箱模塊連接結構間分配到單個螺栓的最大受力見表8。

表8 100%補給品作業(yè)工況浮箱模塊間單螺栓最大受力表

如可能，考慮卡扣結構承受全部剪力，疊加彎矩，各浮箱模塊連接結構間單位長度（單位：m）卡扣結構的最大受力參見表9。

表9 100%補給品作業(yè)工況浮箱模塊間單位長度（單位：m）卡扣結構受力表

3.3 螺栓校核

參考表3、表8，同時考慮到螺栓不承受壓力，當螺栓受拉取值為負時，修改為0?？傻玫礁鞲∠淠K連接結構間單螺栓的最大受力，見表10。

表10 各浮箱模塊連接結構間單螺栓的最大受力表

3.3.1 剪力校核

模塊間剪力考慮由連接部位的摩擦力承載，模塊間連接接觸面噴砂處理，涂敷涂富鋅漆。連接螺栓規(guī)格取M39，8.8級。

單個螺栓承載最大剪力核算：

本文網(wǎng)絡結構如圖1所示,第1個卷積層采用卷積核64@2×2,第2個卷積層采用卷積核96@2×2,第3個卷積層采用卷積核128@2×2,池化層均采用均值池化大小為2×2。網(wǎng)絡訓練參數(shù)設定如下:batch=16,epoch=100,學習率λ=0.000 01,使用隨機梯度下降算法進行優(yōu)化,交叉熵作為損失函數(shù)。本文對所有卷積層以及全連接層都施加了Dropout,卷積層采用Dropout比例為0.2,全連接層則為0.5。

式中：μ為摩擦系數(shù)；F'為預緊力，kN；kf為可靠性系數(shù)，取1.2。

根據(jù)式（1）計算得出R=135.2 kN＞最大剪力126.97 kN。滿足要求。

考慮螺栓拉力影響，選取浮箱模塊4～5吊裝工況進行校核。R=131.4 kN＞113.8 kN，滿足要求。

3.3.2 拉力校核

螺栓只承載拉力，浮箱模塊3～4吊裝工況螺栓拉力最大，對此工況校核。

為保證連接件不松弛：F=67.89 kN<0.8F'=324.5 kN，滿足要求。

螺栓最大拉應力：

式中：F0為螺栓所受最大拉伸力，N，包括預緊力和軸向拉力；d1為外螺紋小徑，mm。

根據(jù)式（1）計算得出σ1=234 MPa ＜[σ]=376 256 MPa，滿足要求。

3.4 卡扣結構強度校核

參考表4、表9，考慮卡扣結構的形式，Z向受力時總有一側受力時卡扣結構將脫鉤，此時Z向受力取值為0?？傻玫礁鞲∠淠K連接結構間單位長度（單位：m）卡扣結構的受力表，見表11。

表11 各浮箱模塊連接結構間單位長度（單位：m）卡扣結構受力表

由表11可知，吊裝工況下浮箱模塊6～5間單位長度卡扣結構受力情況最為惡劣。選取此位置的卡扣結構進行有限元分析。

模型中卡扣結構采用六面體Solid單元來模擬，單元大小一般取為30 mm×30 mm×30 mm。選取卡扣結構與船體結構連接處為邊界，約束3向位移；同時將載荷以面載荷壓強的形式加載到實際作用面上。

如圖建立卡扣1、卡扣2的有限元模型，并添加邊界條件和載荷信息，計算結果見圖12和圖13。

圖1 總布置圖

圖2 浮箱模塊示意圖

圖3 螺栓連接示意圖

圖4 卡扣結構示意圖

圖5 浮箱模塊1、3 與2、4 的連接結構示意圖

圖6 浮箱模塊2、浮箱模塊4 與浮箱模塊5 的連接結構示意圖

圖7 浮箱模塊6、浮箱模塊7 與浮箱模塊5 的連接結構示意圖

圖8 卡扣1 有限元模型

圖9 卡扣1 模型邊界條件和載荷

圖10 卡扣2 有限元模型

圖11 卡扣2 模型邊界條件和載荷

圖12 卡口1 模型結構單元應力云圖

卡扣1、卡扣2的在此工況下的最大應力分別為38.7 MPa和47.0 MPa，遠小于卡扣結構采用的Q345B鋼，其屈服極限為275 MPa。

通過上述計算可知，卡扣結構滿足強度要求。

4 模塊連接技術總結和特點分析

本船模塊連接結構具備結構形式簡單、拆裝方便、易于維護等優(yōu)點。

通過上述強度分析，本船模塊連接結構強度遠遠大于實際受力。對于同尺度船型和模塊，采用本船模塊連接結構一般也能滿足其強度要求，具備很強的可移植性。

模塊連接結構設計時，應注意以下3點：

1）所有螺栓組均布置在水線以上，防止接觸水面發(fā)生腐蝕。

2）針對本船結構形式，浮箱模塊2、4相對于浮箱模塊5有較大扭矩，在實際計算中不能忽略，應特別考慮豎排螺栓組承受扭矩。

3）卡扣結構垂向受力時總有一側受力卡扣結構將脫鉤?？紤]到作業(yè)工況為本船長期工況，浮箱模塊1、浮箱模塊2、浮箱模塊3和浮箱模塊4的質量均小于浮力，浮箱模塊連接結構1～2、結構3～4、結構2～5和結構4～5向受力朝上。此時卡扣結構方向設計應保證該工況下卡扣結構能夠承受垂向力，以防止螺栓組長期同時承受較大的剪力和拉力，出現(xiàn)松動和滑絲現(xiàn)象。