余瑋

(中國(guó)船級(jí)社 上海分社，上海 200135)

絞吸式挖泥船波浪載荷及橫向強(qiáng)度直接計(jì)算

余瑋

(中國(guó)船級(jí)社 上海分社，上海 200135)

為了優(yōu)化絞吸式挖泥船船型的設(shè)計(jì)，提高絞吸式挖泥船的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，以一艘124 m絞吸式挖泥船為研究對(duì)象，根據(jù)三維勢(shì)流理論，采用SESAM軟件系統(tǒng)對(duì)其波浪載荷進(jìn)行直接計(jì)算，并與中國(guó)船級(jí)社《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)范”)的計(jì)算值進(jìn)行比較；采用MSC. patran/nastran軟件進(jìn)行泥艙橫向強(qiáng)度有限元直接計(jì)算分析，對(duì)橫向強(qiáng)度進(jìn)行校核，確認(rèn)合理的符合絞吸式挖泥船船型特點(diǎn)的波浪載荷、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)控制區(qū)域以及裝載工況，為優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率提供依據(jù)。

絞吸式挖泥船；波浪載荷；橫向強(qiáng)度

絞吸式挖泥船裝有泥泵和吸泥裝置，挖泥時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)絞刀將河底泥沙進(jìn)行切割和攪動(dòng)，再用泥泵將泥漿從泥管吸入，經(jīng)過(guò)排泥管輸送到泥沙物理堆積場(chǎng)。它的挖泥、運(yùn)泥、卸泥等工作過(guò)程，可以一次連續(xù)完成，是一種效率高、成本低、性能良好的水下挖掘機(jī)械，在目前疏浚工程中有著廣泛的應(yīng)用[1]。

絞吸式挖泥船有著不同于常規(guī)船型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[2]。其作為工程船的特殊性，首尾均有很大的開(kāi)槽來(lái)設(shè)置橋架和臺(tái)車(chē)，主甲板上的大開(kāi)口以及放置在船體上的復(fù)雜工程設(shè)備都使其在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形等問(wèn)題上不同于常規(guī)的船舶。其尺度范圍也常常超出規(guī)范的范圍，不能直接采用規(guī)范公式計(jì)算波浪載荷和進(jìn)行強(qiáng)度校核。

本文以一艘124 m絞吸式挖泥船為研究對(duì)象，根據(jù)三維勢(shì)流理論采用SESAM軟件系統(tǒng)對(duì)其波浪載荷進(jìn)行直接計(jì)算研究，并與規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行比較；采用MSC. patran/nastran軟件進(jìn)行橫向強(qiáng)度有限元直接計(jì)算，給出此類(lèi)船型的橫向強(qiáng)度校核方法。

1 船型特點(diǎn)

本船為自航吸泥船，主要功能為先在某一指定地點(diǎn)從海底吸泥，然后裝載至另一指定地點(diǎn)，由其他船將泥艙中的泥從本船中排出。本船為單甲板、雙層底、雙機(jī)、雙槳、艉機(jī)型船，包括艉尖艙艙壁和防撞艙壁在內(nèi)，全船共有5道水密橫艙壁。泥艙長(zhǎng)度50.4 m。泥艙區(qū)域主甲板、外板、泥艙平臺(tái)甲板均為縱骨架式，機(jī)艙區(qū)域、首部區(qū)域、上建及甲板室區(qū)域?yàn)闄M骨架式；泥艙區(qū)域、泵艙區(qū)域、機(jī)艙區(qū)域設(shè)置雙層底，其他區(qū)域?yàn)閱螌拥住?/p>

2 船型資料及計(jì)算工況

2.1 船型資料

目標(biāo)船的主要船型參數(shù)如表1。

表1 主要參數(shù)

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)裝載手冊(cè)，計(jì)算工況選取挖泥船的典型工況，即裝載至最深挖泥吃水的滿(mǎn)載工況以及壓載調(diào)遣工況，其中滿(mǎn)載工況根據(jù)泥漿密度不同，裝載水平也不同。該算例中，滿(mǎn)載工況選取密度最大時(shí)的裝載水平。主要參數(shù)見(jiàn)表2。

3 波浪載荷直接計(jì)算

3.1 三維水動(dòng)力計(jì)算模型

采用SESAM軟件系統(tǒng)中的geniE模塊建立船體濕表面模型(panel model)和質(zhì)量模型(mass model)，濕表面模型和質(zhì)量模型構(gòu)成了HydroD中的水動(dòng)力計(jì)算模型[3-4]。通過(guò)調(diào)整浮態(tài)使得水動(dòng)力計(jì)算模型中的排水量和艏艉吃水與實(shí)船裝載狀態(tài)一致。沿船長(zhǎng)方向從艉垂線到艏垂線，每間隔7.92 m取一個(gè)計(jì)算截面，共16個(gè)計(jì)算截面。水動(dòng)力模型見(jiàn)圖1。

表2 裝載狀態(tài)主要參數(shù)

3.2 計(jì)算參數(shù)

為了研究船體在不同浪向角的波浪作用下的波浪誘導(dǎo)載荷規(guī)律，選取0°～180°、間隔為30°共7個(gè)浪向角。

為了研究各種有意義的頻率對(duì)船體的作用，選取的波浪頻率范圍為0.4-1.7 rad/s，步長(zhǎng)取0.05 rad/s，共27個(gè)頻率。

根據(jù)該船的航線，選用對(duì)應(yīng)海域最危險(xiǎn)的波浪散布資料，即中國(guó)沿海波浪散布圖，參見(jiàn)《西北太平洋波浪統(tǒng)計(jì)集》[5]。因該海域波浪未充分發(fā)展，故采用的波浪譜是JONSWAP譜。

3.3 波浪載荷短期預(yù)報(bào)

圖2和3為船中截面的垂向波浪彎矩，圖4和5為L(zhǎng)/4和3L/4截面的垂向波浪剪力。

船中垂向波浪彎矩有2個(gè)峰值，180°浪向頻率0.7 Hz和60°浪向頻率1.1 Hz左右；滿(mǎn)載狀態(tài)下L/4和3L/4截面垂向剪力最大值出現(xiàn)在60°浪向頻率1.1 Hz附近，壓載狀態(tài)下L/4和3L/4截面的垂向剪力最大值出現(xiàn)在浪向180°、頻率0.7 Hz附近。

由此可見(jiàn)，對(duì)于波浪垂向彎矩和垂向剪力，180°浪向、頻率0.7 Hz和60°浪向、頻率1.1 Hz的波浪為最危險(xiǎn)的波浪工況。

3.4 波浪載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)

圖6和圖7分別為垂向波浪彎矩和垂向波浪剪力沿船長(zhǎng)方向剖面的分布。滿(mǎn)載狀態(tài)下的垂向波浪彎矩和垂向波浪剪力大于壓載狀態(tài)，船中剖面處的垂向波浪彎矩值最大，L/4和3L/4截面處的垂向波浪剪力值最大，這與常規(guī)船型規(guī)律是一致的。而滿(mǎn)載狀態(tài)下垂向波浪彎矩和剪力直接計(jì)算值大于“規(guī)范”計(jì)算值，說(shuō)明對(duì)于該類(lèi)船型，需采用直接計(jì)算法進(jìn)行波浪載荷的計(jì)算。

4 橫向強(qiáng)度直接計(jì)算

4.1 橫向強(qiáng)度校核方法

本船是有泥艙的挖泥船，B/D≤3，滿(mǎn)足《規(guī)范》尺度要求，但泥艙長(zhǎng)度大于30 m，所以需要用直接計(jì)算法校核其橫向強(qiáng)度。

橫向強(qiáng)度直接計(jì)算的參考資料有CCS《油船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南》[6]、《雙舷側(cè)散貨船直接計(jì)算指南》[7]；CCS《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》[8](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)；還有《艙長(zhǎng)大于30 m的船舶結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度計(jì)算要求》[9](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《要求》)。它們?cè)谀Ｐ头秶?、載荷、邊界約束條件、計(jì)算工況以及應(yīng)力衡準(zhǔn)等方面都有不同之處，必須合理地將《指南》、《規(guī)范》與《要求》中所述規(guī)則綜合應(yīng)用到挖泥船橫向強(qiáng)度計(jì)算中。挖泥船橫向強(qiáng)度校核方法的整體框架可以參照“要求”的指導(dǎo)原則，載荷計(jì)算可參照《規(guī)范》。

4.2 模型范圍

根據(jù)《要求》，模型范圍應(yīng)包括船中1/2泥艙+1/2泵艙，船寬方向采用全寬模型，垂向范圍為整個(gè)型深。坐標(biāo)系采用笛卡爾坐標(biāo)，其X軸沿船體縱向指向船艏，Y軸沿船寬方向指向左舷，Z軸垂直向上。網(wǎng)格劃分按照《規(guī)范》要求。有限元模型見(jiàn)圖8。

4.3 載荷

1)泥艙內(nèi)壓力。泥漿流動(dòng)性的特點(diǎn)，使得泥漿載荷的作用方式與液體基本相同[10]。所以泥艙內(nèi)部載荷按《規(guī)范》第2篇第9節(jié)1.9.5規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，密度取最大泥漿密度。

2)舷外水壓力。舷外水壓力按《規(guī)范》第2篇第9節(jié)1.9.3規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

3)壓載水壓力。壓載水壓力按《規(guī)范》第2篇第9節(jié)1.9.5規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

4.4 邊界條件

模型的兩端面(簡(jiǎn)稱(chēng)A端和B端)需約束，A端面約束δx、δz、θy、θz，B端面約束δz、θy、θz。

4.5 應(yīng)力衡準(zhǔn)

許用應(yīng)力的選取參照《要求》，各構(gòu)件的許用應(yīng)力見(jiàn)表4。

表4 許用應(yīng)力

注：σe為板單元等效應(yīng)力；σl為板單元長(zhǎng)度方向上的應(yīng)力；σw為板單元寬度方向上的應(yīng)力；τ為板單元剪應(yīng)力；k為材料系數(shù)。

4.6 計(jì)算結(jié)果

圖9為板單元最大等效應(yīng)力云圖，圖10為板單元最大剪應(yīng)力云圖，圖11為板單元最大縱向應(yīng)力云圖，圖12為梁?jiǎn)卧畲筝S向應(yīng)力。最大等效應(yīng)力和最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在船底肋板兩端靠近舷側(cè)內(nèi)殼板區(qū)域，船長(zhǎng)方向最大正應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)底板與橫艙壁連接處，船寬方向最大正應(yīng)力出現(xiàn)在船底板中間位置區(qū)域。泥艙段主要構(gòu)件應(yīng)力水平均小于許用應(yīng)力，船結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。工況1(作業(yè)工況，泥艙滿(mǎn)載)的應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于工況2(無(wú)限航區(qū)調(diào)遣工況，泥艙空載)，說(shuō)明挖泥工況偏于危險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)優(yōu)先考慮挖泥工況是否能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

1)波浪載荷直接計(jì)算值大于《規(guī)范》計(jì)算值，對(duì)于絞吸式挖泥船的波浪載荷計(jì)算要采用直接計(jì)算法。

2)對(duì)于絞吸式挖泥船泥艙的橫向強(qiáng)度，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域?yàn)槟嗯摯装寮芙Y(jié)構(gòu)。

3)對(duì)于絞吸式挖泥船，泥艙滿(mǎn)載挖泥工況是較危險(xiǎn)工況，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)優(yōu)先考慮該工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求。

4)將CCS的《規(guī)范》和《要求》相結(jié)合，以長(zhǎng)度超過(guò)30 m的貨艙來(lái)分析校核挖泥船橫向強(qiáng)度。該方法同樣可用于規(guī)范中對(duì)挖泥船主尺度比超出限定范圍的要求。

[1] 何炎平，譚家華．大型自航絞吸式挖泥船的發(fā)展和有關(guān)問(wèn)題的思考[J].中外船舶科技，2008(2):8-13.

[2] 何炎平，馮長(zhǎng)遠(yuǎn)，顧敏童，等.“天鯨”號(hào)大型自航絞吸式挖泥船[J].船舶工程，2009(5):1-5.

[3] 蔣昌師，劉亞?wèn)|.大型自航絞吸挖泥船的耐波形預(yù)報(bào)[J].船舶工程，2011(3):13-16.

[4] 劉曉鵬.絞吸式挖泥船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估研究和標(biāo)準(zhǔn)化探討[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[5] 方鐘圣，金承儀，繆泉明.西北太平洋波浪統(tǒng)計(jì)集[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1996.

[6] 中國(guó)船級(jí)社．油船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南[S].北京：人民交通出版社，2003.

[7] 中國(guó)船級(jí)社．雙舷側(cè)散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南[S].北京：人民交通出版社，2004.

[8] 中國(guó)船級(jí)社．國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2014.

[9] 中國(guó)船級(jí)社．艙長(zhǎng)大于30 m的船舶結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度計(jì)算要求[S].上海:上海規(guī)范研究所，2006.

[10] 劉強(qiáng)．大型耙吸式挖泥船泥艙結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度校核方法分析[J].船舶與海洋工程，2012(1):35-37.

Direct Calculation of Wave Loads and Transverse Strength for the Cutter Suction Dredger

YU Wei

(Shanghai Branch of China Classification Society, Shanghai 200135, China)

In order to optimize the design of the cutter suction dredger, improve the design quality and efficiency, a 124 m cutter suction dredger was taken as the research object. According to the three-dimensional potential flow theory, the wave loads the cutter suction dredger was directly calculated in SESAM, and the results were compared with the computing values of Rules for the Construction of Domestic Sea Going Ships of CCS. The transverse strength of the mud tank was directly calculated in MSC.Patran/Nastran. The reasonable wave loads, critical structure control area and loading conditions of the cutter suction dredger were confirmed. The numerical results can provide with the reference for design and optimization of the cutter suction dredger.

cutter suction dredger; wave loads; transverse strength

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.006

2016-09-27

余瑋(1961—)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師

U661.43

A

1671-7953(2017)02-0026-04

修回日期：2016-10-29

研究方向:船舶結(jié)構(gòu)建造檢驗(yàn)、船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)