组合式挖泥船结构强度

焦云然， 王 伟， 俞伊姗， 宋月林

(1．浙江海洋大学 船舶与机电工程学院, 浙江 舟山 316022； 2. 浙江新乐造船股份有限公司， 浙江 宁波315048)

0 引 言

我国海域广阔，江河湖库纵横，拥有丰富的水利资源，基于港口航道治理、水利设施维护、矿砂开采等事业，疏浚业已成为中国经济建设的重要行业。挖泥船作为重要的疏浚设备，市场需求越来越高[1]。目前，工程使用的挖泥船以耙吸式和铰吸式为主，相比于耙吸式，铰吸式挖泥船用途广泛，几乎适用于所有土质[2-3]，且经济性好，能够同时实现物料挖掘和输送。不同于常规的挖泥船，组合式挖泥船由几个独立的箱体连接而成，可以在水运不通的水域间来回运输，同时也极大地方便了船体的维修和保养，甚至可通过更换破损箱体来延长使用寿命，在内河水域有广阔市场。

组合式铰吸挖泥船有着不同于常规船型的结构特点[4]，其艏部的大开口以及安装在船体间的连接会对船体结构产生很大的影响，因此，对于这类船舶，必须采用合适的方法对其结构强度进行研究。本文建立组合式铰吸挖泥船整船模型，并用合理的方式模拟各箱体间的连接方式，利用大型商用有限元软件MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN分析该船的结构强度[5-6]。

1 船体模型

1.1 主要参数及结构形式

组合式铰吸挖泥船总长50.40 m，型宽8.18 m，型深2.60 m，设计吃水为1.20 m，主船体由8个尺寸相同的箱体通过快速插销连接而成，每个箱体长16.80 m，宽2.70 m，高2.60 m，为单壳、单底结构，箱体的布置如图1所示。

图1 浮箱布置图

1.2 有限元模型

由于组合式铰吸挖泥船不同于其他常规船型的结构特点，为了能更好地反映全船的结构强度，尤其是连接部位的强度，本文有限元建模采用全船模型，有限元模型如图2所示。对组合式挖泥船而言，各浮箱间的连接是整体的关键，因此，选择合理的方式来模拟连接装置对其结构强度研究是至关重要的。船体8个浮箱采用快速插销连接，本文采用梁单元模拟插销连杆，然后用多点约束(Multi-Point Constraint， MPC)形式与船体相连，如图3和图4所示。平面抗扭架与1、2号箱体，1、4号箱体及2、4号箱体间的重磅法兰板用螺栓连接，螺栓采用梁单元模拟，如图5和图6所示。

图2 全船有限元模型

图3 箱体连接插销处MPC有限元模型

图4 箱体连接装置连杆有限元模型

图5 平面抗扭架与1、2号箱体螺栓有限元模型

图6 1、4号箱体间重磅法兰板螺栓有限元模型

2 边界条件及计算工况

2.1 边界条件

本文采用整船模型进行结构强度分析，为了消除船体的刚体位移，采用3点约束，在船体艏艉节点设置约束条件，其中，艉端点限制纵向、横向和垂向位移，左舷艏端点限制横向和垂向位移，右舷艏端点限制垂向位移。

2.2 计算工况

考虑波浪对船体的影响，结合稳性计算资料，本文计算了吸泥船绞刀架在平放悬吊、15 m挖深、30 m挖深等3种状态下的4种工况。计算结果表明：3种状态下，船体及箱体连接装置的应力结果总体相差不大，因此，本文选取15 m挖深下的4种工况进行说明。

(1) 作业工况1：全部燃料及备品，中拱状态；

(2) 作业工况2：全部燃料及备品，中垂状态；

(3) 作业工况3：10%燃料及备品，中拱状态；

(4) 作业工况4：10%燃料及备品，中垂状态。

3 载荷计算及施加

有限元模型的载荷包括舷外水压、作业载荷和结构重量等3部分。

舷外水压根据计算工况船舶处于平衡状态时的设计波面确定[7]，按压力分布施加到模型湿表面各单元上。设计波等效为余弦波，波长等于船长，波高he为

he=aw×(29 593 m-120.89L+

0.223 21L2)×10-4=1.44 m

(1)

式中：L为船长，50.40 m；aw为航区波高修正系数，B级航区，取系数aw=0.6。

舷外水压为

(2)

式中：ρw为淡水密度，取1.0 t/m3；g为重力加速度，9.81 m/s2；d为设计吃水，1.20 m；x为计算点至坐标原点水平距离，m；z为计算点至基线的垂向距离，m。

由于本船未设置储存泥沙舱，吸上来的泥沙直接排到岸上或泥驳上，因此货物载荷可以忽略不计。燃油及压载水重量根据作业工况按压力分布施加到对应的船体上。本文中结构重量考虑了船体自重、上层建筑重量、舾装件重量及铰刀架、机架重量。船体自重取钢料密度为7.85×10-9t/mm3，以重力加速度的形式施加。上层建筑及舾装件重量均按质量点单元形式施加在对应的位置上。铰刀架及机架上施加的力通过铰刀架、机架有限元模型约束反力求得，以建立MPC的形式施加在模型上。

4 计算结果及应力分析变化

4.1 总纵强度

通过全船有限元计算分析，该组合式吸泥船各构件的计算值都低于许用值，强度满足规范要求，各工况下全船模型应力值如表1所示，以工况1为例的计算云图如图7～图18所示。根据有限元分析，发现4个工况下，全船应力最大点均出现在船中箱体连接处。在波浪中拱(工况1、3)下，应力最大点在1、3号箱体连接处，而在波浪中垂(工况2、4)下，出现在5、8号箱体连接处。

表1 各构件应力计算汇总 MPa

图7 主甲板、外底板、舷侧外板、纵舱壁σe云图

图8 主甲板、外底板、舷侧外板、纵舱壁σ1云图

图9 主甲板、外底板、舷侧外板、纵舱壁τ云图

图10 甲板纵桁、龙骨腹板最大σe云图

图11 甲板纵桁、龙骨腹板σ1云图

图12 甲板纵桁、龙骨腹板τ云图

图13 甲板纵桁、龙骨面板σz云图

图14 横舱壁σe云图

图15 横舱壁τ云图

图16 强横梁、强肋骨、实肋板腹板σe云图

图17 强横梁、强肋骨、实肋板腹板τ云图

图18 强横梁、强肋骨、实肋板面板σz云图

4.2 连接装置

对组合式铰吸挖泥船而言，各浮箱间的连接是整体的关键，通过有限元计算得到4种工况下各连接装置的最大应力值，如表2所示，图19～图24为工况4下的应力云图。由图19和图20可看出：插销上下两端均受到较大的力，说明箱体间采用插销的形式连接可以将力分散到上下两端，使连接装置受力更加合理。

表2 各连接件装置应力计算汇总 MPa

图19 箱体连接装置最大σz云图 图20 箱体连接装置τ云图

图21 平面抗扭架与1、2号箱体连接螺栓σz云图

图22 平面抗扭架与1、2号箱体连接螺栓τ云图

图23 1、4号箱体间重磅法兰板连接螺栓σz云图

图24 1、4号箱体间重磅法兰板连接螺栓τ云图

5 结 论

本文利用大型商用有限元软件MSC/PA-TRAN、MSC/NASTRAN对组合式挖泥船的总纵强度及箱体间的连接装置进行有限元分析，分析计算表明：

(1) 通过全船有限元直接结算，本船15 m挖深4种工况下各构架的最大应力都在材料的许用范围以内，且存在较大的富余，满足强度要求。

(2) 绞刀平放悬吊、15 m挖深、30 m挖深等3种状态下，有限元应力分析结果相差不大，说明对本船而言，绞刀的工作状况不是影响其结构强度的主要因素。

(3) 在4种工况下，本船的应力最大点均出现在船中的箱体连接插销处，船体的中拱最大点位于船体首部1、3和2、5号箱体连接处，而中垂时位于尾部5、8和3、6号箱体连接处。

(4) 平面抗扭架及重磅法兰连接处应力很小。

本船快速连接插销结构简单，操作流程方便，船体可分解运输、组合，使其在内陆水域清淤疏浚具有广泛推广前景。采用上下两处远端连接，相比于传统隼接形式只有靠近甲板端受力的情况，插销型式能将力更好地分解到上下两端，使连接件的受力更加合理。本船的计算分析可为今后同类型船舶的设计提供参考。

[1] 姚佶.挖泥船的分类与发展研究[J].科技风,2012(7):228.

[2] 章文倬，付宗国，于宏斌.挖泥船与疏浚业发展现状与研究[J].机械工程师,2017(6):53-55.

[3] 刘晓鹏.绞吸式挖泥船的结构强度评估研究和标准化探讨[D].上海：上海交通大学,2009.

[4] 何炎平，冯长远，顾敏童，等.“天鲸号”大型自航绞吸式挖泥船[J].船舶工程，2009，31(5)：1-5.

[5] 殷晓剑，程国祥，陆新林.350 t拼装式浮箱工程船结构强度分析研究[J].船舶标准化工程师, 2017,50(1):21-27.

[6] 陶鹏，丁金鸿，杨启，等.超大型桩定位式抓斗挖泥船结构强度研究[J].舰船科学技术, 2016,38(3):32-36.

[7] 中国船级社.钢质内河船舶建造规范[S].北京：人民交通出版社，2016.