耙吸式挖泥船的泥舱晃荡载荷及其效应分析

王浩钦 吴剑国（浙江工业大学 建筑工程学院 杭州310014）



耙吸式挖泥船的泥舱晃荡载荷及其效应分析

王浩钦 吴剑国
（浙江工业大学 建筑工程学院 杭州310014）

［摘 要］耙吸挖泥船具有泥舱长且宽、泥浆密度大等特点，存在泥浆晃荡现象。文章参照BV规范，对17 000 m3耙吸挖泥船的晃荡载荷特性以及晃荡工况与常规工况下泥舱结构的应力进行分析和对比，发现在特定情况下泥浆晃荡将使主甲板及横舱壁的最大应力增大200%左右，并使内壳及强框架等的应力增大15%～50%，从而对船体结构产生较大影响。

［关键词］晃荡；耙吸式挖泥船；泥舱；BV规范

吴剑国（1963-），男，教授，研究方向：船舶结构设计。

引 言

一般来说，装载具有流性物质的船舶在航行过程中均可能产生晃荡［1］。在某些条件下，晃荡引起的冲击载荷是很大的，晃荡载荷对结构的影响不容忽视，比如VLCC、LNG、LPG 等液货船的设计已考虑液舱晃荡载荷的作用。耙吸挖泥船是一种从事航道疏浚的船型，具有泥舱长而宽、泥浆密度大等特点，因此，泥浆晃荡载荷及其对挖泥船结构产生影响是业界关心的问题。

晃荡问题是典型的流固耦合问题，是一种非常复杂的流体运动现象，具有高度的非线性和随机性［2］。影响液舱晃荡的因素有很多，如外界的激励频率、舱室的几何形状及尺寸、内部构件、液体充装高度、液体属性等。当液舱形状确定时，舱内流体的共振频率主要取决于舱内的载液深度。液舱在外界激励下通常会产生四种不同的晃荡波，即驻波、行波、水跃及三者的组合。

液舱晃荡的研究方法，不外乎理论分析、数值计算和实验研究三类［3］。目前国内外均有计算晃荡载荷的相关规范，CCS的《液舱晃荡载荷及构件尺寸评估指南》将晃荡载荷分成三种水平的晃荡力，其中水平1和水平2的晃荡力根据公式计算，而水平3晃荡力需要建模计算［4］，而BV的《钢质海船入级规范》［5］将晃荡载荷分成四种不同性质的力，力学概念较为清楚，并给出相应计算公式而无需建模计算，应用较为方便，故本文参考BV规范对晃荡载荷进行分析。

本文以一艘17 000 m3耙吸式挖泥船为例，研究晃荡载荷的特性以及泥舱晃荡对船体结构的影响。

1 计算模型

本文选取该船FR52 至FR177 范围内的船体进行泥舱段有限元强度计算及分析，结构尺寸采用船舶建造厚度，外板、强框架、纵桁、舱壁采用4节点板壳单元模拟，骨材和面板上的加强筋用梁单元模拟，主尺度如表 1所示，舱段模型如图 1所示。模型前后两个端面的边界条件、舷外静水压力和波浪水动压力均按照CCS《油船结构直接计算分析指南》确定。其他载荷包括：抽舱油缸载荷、泥门油缸载荷、船中吊机载荷、泥管重、泥泵重力、端面弯矩等均按装载手册。

表1　17 000 m3耙吸式挖泥船主尺度

2 泥浆晃荡载荷

本文按照BV的《钢质海船入级规范》计算船体正浮状态下晃荡载荷。该规范将晃荡载荷分解成静水力、惯性力、晃荡力和冲击力四种力进行计算。在液舱晃荡的过程中，液体的共振是一个不可忽视的问题。按照BV规范，当部分装载液舱的装载深度在0.1H＜dF＜0.95H时，泥舱晃荡需要考虑共振的影响。经过BV公式的计算，随着装载深度的变化，本船在纵摇和横摇状态下均有产生共振的风险。由于液面的尺寸对晃荡载荷的大小具有重要影响，而挖泥船泥舱的长度远大于宽度，纵摇引起的晃荡效应远大于横摇，故本文以船体正浮状态下纵摇共振为例对晃荡载荷进行计算分析。

图 1 17 000 m3耙吸式挖泥船中横剖面

图 2 17 000 m3耙吸式挖泥船泥舱段模型

2.1 静水力

静水力由重力产生，计算公式为：

2.2 惯性力

惯性力计算公式为：式中：lB为液货舱纵向长度，m；加速度aX、aY、aZ分量参考值，详见《钢质海船入级规范》。

2.3 晃荡力

认为晃荡力PSL作用于横舱壁上，范围是装载液面线向上0.2dF至向下0.2dF之间，如图 3（阴影部分）所示。

图 3 晃荡力作用范围

晃荡力计算公式如下（kN/m2）：

式中：参数α、参考力P0（kN/m2），详见《钢质海船入级规范》。

2.4 冲击力

船身正浮状态时，考虑最不利情况认为液体运动产生的动态冲击力作用范围为：从舱顶与横舱壁交线竖直向下延伸0.15H的横舱壁上，以及从舱顶与横舱壁交线沿舱顶方向延伸0.3lC（lC为舱长）。计算公式如下：

式中：幅角AP（rad）、周期TP（s）、加速度α（rad/ s2），以及其他相关参数详见《钢质海船入级规范》。

根据以上计算公式，代入挖泥船的相关参数，可以算出所有的晃荡载荷，现以泥舱后端横舱壁处为例，给出装载率在20%和80%时，晃荡载荷沿装载液面高度的变化趋势，坐标定义如图 1所示，计算结果如图 4、图 5所示。

图4　晃荡载荷沿高度变化趋势（20%装载率）

图 5 晃荡载荷沿高度变化趋势（80%装载率）

从图中可知：

（1）惯性力分布与静水力相似，随着距液面的深度增加而增大，但在液面处不为零。

（2）作用在装载液面上下0.2dF范围内的晃荡力，其液面处的最大值与最大惯性力相当。

（3）当装载率较小（如20%装载率）时，可不考虑该冲击力。当装载率较大（如80%装载率）时，舱室顶部靠近两端横舱壁处作用有较大的冲击力，其值大约是最大静水压力的3倍。

将晃荡载荷各个分量沿高度叠加起来可得到总晃荡载荷，总晃荡载荷与静水力和惯性力的对比如图6、图7所示。

图6　载荷对比（20%装载率）

图7　载荷对比（80%装载率）

从图中可以看出：

（1）当装载液面较低（如20%装载率）时，不存在冲击力，仅在液面附近产生晃荡力，液面处的总晃荡载荷同最大静水力与惯性力之和相当。

（2）当装载液面较高（如80%装载率）时，在液面至舱顶范围内产生较大冲击力，此处的总晃荡载荷约为最大静水力加惯性力之和的2～3倍。

3 对结构的影响

本文研究泥舱晃荡对船体结构强度的影响，由于泥舱满载时不出现晃荡现象，作为对比研究，应考虑以下两种工况：

（1）泥舱装载80%的泥浆不考虑晃荡的常规载荷工况；

（2）泥舱装载80%的泥浆考虑晃荡载荷工况。工况说明如表 2所示。

表2　工况说明

经MSC.Nastran计算，挖泥船在常规工况和晃荡工况下各部位最大Mises应力及相应位置见表3。

表3　应力计算结果

从表3可以看出：在考虑晃荡荷载的情况下，内外底板的Mises应力有所减小，而船体其余部位的应力都增大了。其中主甲板、横舱壁增大较多，最大应力增大200%左右；内壳、外舷侧应力增大较小，为50%左右；而强框架最大应力只增大15%。部分应力云图如图8-图11所示：

图8　外底板（晃荡工况）

图9　主甲板（晃荡工况）

图11　横舱壁（晃荡工况）

4 结 论

通过对17 000 m3耙吸式挖泥船在常规工况和晃荡工况下的对比分析，发现特定条件下泥舱晃荡引起的晃荡载荷大大增加了船体甲板、纵横舱壁等处的应力水平，对船体结构的安全产生较大影响。其中，由于晃荡在泥舱两端顶部引起较大的冲击力，使主甲板、横舱壁上部应力增大较多，最大应力增大200%左右，应引起注意，对此处结构适当加强；此外，内壳、外舷侧的最大应力产生50%左右的增幅，而强框架最大应力只增大15%。由此可见，泥浆晃荡对挖泥船结构的影响不容忽视。

［参考文献］

［1］ 杨亚东. 耙吸挖泥船的结构设计特点［J］. 船舶， 2010 （4）：20-23.

［2］ 陆晟，邹康. 16 000 m3LNG船液舱晃荡载荷分析［J］.船舶设计通讯， 2012（z1）：1-3.

［3］ 刘新立. 船载液体晃荡载荷特性研究［D］. 武汉：武汉理工大学，2009.

［4］ 中国船级社. 液舱晃荡载荷及构件尺寸评估指南［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［5］ BV. Rules for the Classification of Steel Ships. Part B Hull and Stability（Part B2）［R］. 2003：27-32.

Sloshing load of mud tank on trial suction dredger and its effect

WANG Hao-qin WU Jian-guo
(College of Architectural & Civil Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:The sloshing phenomenon occurs in the trailing suction dredger which has a long and wide mud tank filled with large density of mud. This paper analyzes the sloshing load characteristics of a 17 000 m3trailing suction dredger referring to the BV rules, and compares the stress of the mud tank structure between the sloshing load condition and conventional load condition. It is found that the maximum stress of the main deck and the transverse bulkhead is increased by about 200%, while the stress of the inner hull and strong frame is increased by 15% ～ 50% due to the sloshing of mud. Therefore, the mud sloshing has the significant impact on the hull structure.

Keywords:sloshing; trailing suction dredger; mud tank; BV rules

［作者简介］王浩钦（1990-），男，硕士，研究方向：船舶结构设计。

［收稿日期］2015-06-25；［修回日期］2015-11-02

［基金项目］浙江省重大科技专项社会发展项目：17 000立方耙吸式工程船设计建造关键技术研究（编号：2013C03032）。

［中图分类号］U661.43

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2016）01-0059-05