余瑋

(中國船級社 上海分社，上海 200135)

絞吸式挖泥船波浪載荷及橫向強度直接計算

余瑋

(中國船級社 上海分社，上海 200135)

為了優(yōu)化絞吸式挖泥船船型的設計，提高絞吸式挖泥船的設計質(zhì)量和效率，以一艘124 m絞吸式挖泥船為研究對象，根據(jù)三維勢流理論，采用SESAM軟件系統(tǒng)對其波浪載荷進行直接計算，并與中國船級社《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(以下簡稱“規(guī)范”)的計算值進行比較；采用MSC. patran/nastran軟件進行泥艙橫向強度有限元直接計算分析，對橫向強度進行校核，確認合理的符合絞吸式挖泥船船型特點的波浪載荷、關鍵結(jié)構(gòu)控制區(qū)域以及裝載工況，為優(yōu)化設計、提高設計質(zhì)量和效率提供依據(jù)。

絞吸式挖泥船；波浪載荷；橫向強度

絞吸式挖泥船裝有泥泵和吸泥裝置，挖泥時通過旋轉(zhuǎn)絞刀將河底泥沙進行切割和攪動，再用泥泵將泥漿從泥管吸入，經(jīng)過排泥管輸送到泥沙物理堆積場。它的挖泥、運泥、卸泥等工作過程，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械，在目前疏浚工程中有著廣泛的應用[1]。

絞吸式挖泥船有著不同于常規(guī)船型的結(jié)構(gòu)特點[2]。其作為工程船的特殊性，首尾均有很大的開槽來設置橋架和臺車，主甲板上的大開口以及放置在船體上的復雜工程設備都使其在結(jié)構(gòu)強度和變形等問題上不同于常規(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)范公式計算波浪載荷和進行強度校核。

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

1 船型特點

本船為自航吸泥船，主要功能為先在某一指定地點從海底吸泥，然后裝載至另一指定地點，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、雙槳、艉機型船，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。泥艙長度50.4 m。泥艙區(qū)域主甲板、外板、泥艙平臺甲板均為縱骨架式，機艙區(qū)域、首部區(qū)域、上建及甲板室區(qū)域為橫骨架式；泥艙區(qū)域、泵艙區(qū)域、機艙區(qū)域設置雙層底，其他區(qū)域為單層底。

2 船型資料及計算工況

2.1 船型資料

目標船的主要船型參數(shù)如表1。

表1 主要參數(shù)

2.2 計算工況

根據(jù)裝載手冊，計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載工況以及壓載調(diào)遣工況，其中滿載工況根據(jù)泥漿密度不同，裝載水平也不同。該算例中，滿載工況選取密度最大時的裝載水平。主要參數(shù)見表2。

3 波浪載荷直接計算

3.1 三維水動力計算模型

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中的水動力計算模型[3-4]。通過調(diào)整浮態(tài)使得水動力計算模型中的排水量和艏艉吃水與實船裝載狀態(tài)一致。沿船長方向從艉垂線到艏垂線，每間隔7.92 m取一個計算截面，共16個計算截面。水動力模型見圖1。

表2 裝載狀態(tài)主要參數(shù)

3.2 計算參數(shù)

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

為了研究各種有意義的頻率對船體的作用，選取的波浪頻率范圍為0.4-1.7 rad/s，步長取0.05 rad/s，共27個頻率。

根據(jù)該船的航線，選用對應海域最危險的波浪散布資料，即中國沿海波浪散布圖，參見《西北太平洋波浪統(tǒng)計集》[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 波浪載荷短期預報

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

船中垂向波浪彎矩有2個峰值，180°浪向頻率0.7 Hz和60°浪向頻率1.1 Hz左右；滿載狀態(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，對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的波浪為最危險的波浪工況。

3.4 波浪載荷長期預報

圖6和圖7分別為垂向波浪彎矩和垂向波浪剪力沿船長方向剖面的分布。滿載狀態(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。而滿載狀態(tài)下垂向波浪彎矩和剪力直接計算值大于“規(guī)范”計算值，說明對于該類船型，需采用直接計算法進行波浪載荷的計算。

4 橫向強度直接計算

4.1 橫向強度校核方法

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

橫向強度直接計算的參考資料有CCS《油船結(jié)構(gòu)強度直接計算分析指南》[6]、《雙舷側(cè)散貨船直接計算指南》[7]；CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》[8](以下簡稱《規(guī)范》)；還有《艙長大于30 m的船舶結(jié)構(gòu)橫向強度計算要求》[9](以下簡稱《要求》)。它們在模型范圍、載荷、邊界約束條件、計算工況以及應力衡準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)則綜合應用到挖泥船橫向強度計算中。挖泥船橫向強度校核方法的整體框架可以參照“要求”的指導原則，載荷計算可參照《規(guī)范》。

4.2 模型范圍

根據(jù)《要求》，模型范圍應包括船中1/2泥艙+1/2泵艙，船寬方向采用全寬模型，垂向范圍為整個型深。坐標系采用笛卡爾坐標，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。有限元模型見圖8。

4.3 載荷

1)泥艙內(nèi)壓力。泥漿流動性的特點，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)定進行計算，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)定進行計算。

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)定進行計算。

4.4 邊界條件

模型的兩端面(簡稱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 應力衡準

許用應力的選取參照《要求》，各構(gòu)件的許用應力見表4。

表4 許用應力

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

4.6 計算結(jié)果

圖9為板單元最大等效應力云圖，圖10為板單元最大剪應力云圖，圖11為板單元最大縱向應力云圖，圖12為梁單元最大軸向應力。最大等效應力和最大剪應力出現(xiàn)在船底肋板兩端靠近舷側(cè)內(nèi)殼板區(qū)域，船長方向最大正應力出現(xiàn)在內(nèi)底板與橫艙壁連接處，船寬方向最大正應力出現(xiàn)在船底板中間位置區(qū)域。泥艙段主要構(gòu)件應力水平均小于許用應力，船結(jié)構(gòu)橫向強度滿足要求。工況1(作業(yè)工況，泥艙滿載)的應力水平遠高于工況2(無限航區(qū)調(diào)遣工況，泥艙空載)，說明挖泥工況偏于危險，在設計初期應優(yōu)先考慮挖泥工況是否能滿足強度要求。

5 結(jié)論

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

2)對于絞吸式挖泥船泥艙的橫向強度，應重點關注的區(qū)域為泥艙船底板架結(jié)構(gòu)。

3)對于絞吸式挖泥船，泥艙滿載挖泥工況是較危險工況，在設計初期應優(yōu)先考慮該工況下的結(jié)構(gòu)強度是否滿足要求。

4)將CCS的《規(guī)范》和《要求》相結(jié)合，以長度超過30 m的貨艙來分析校核挖泥船橫向強度。該方法同樣可用于規(guī)范中對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)展和有關問題的思考[J].中外船舶科技，2008(2):8-13.

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

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

[4] 劉曉鵬.絞吸式挖泥船的結(jié)構(gòu)強度評估研究和標準化探討[D].上海：上海交通大學，2009.

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

[6] 中國船級社．油船結(jié)構(gòu)強度直接計算指南[S].北京：人民交通出版社，2003.

[7] 中國船級社．雙舷側(cè)散貨船結(jié)構(gòu)強度直接計算指南[S].北京：人民交通出版社，2004.

[8] 中國船級社．國內(nèi)航行海船建造規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2014.

[9] 中國船級社．艙長大于30 m的船舶結(jié)構(gòu)橫向強度計算要求[S].上海:上海規(guī)范研究所，2006.

[10] 劉強．大型耙吸式挖泥船泥艙結(jié)構(gòu)橫向強度校核方法分析[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，學士，高級工程師

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、船舶結(jié)構(gòu)設計