分体式挖泥船结构设计探讨

黄丽

摘 要：在船舶的使用中，会出现很多制约方面的问题。本船舶的形式超出规范要求，文章将在满足船舶使用环境的情况下，船舶设计中遇到的问题及计算方法作一简要介绍，以便对其他类似的船舶设计有所帮助。

关键词：挖泥船 结构强度 图纸设计

随着珠江经济带的开发，西江流域的河流、库区急需一批挖泥船进行河道疏浚。但部分流域水库由于船闸航道条件限制，主尺度大一些的挖泥船仅从水路到达不了施工现场，船东提出设计主体的挖泥船，通过陆路运输等方式，到达现场后再组装合并后施工。根据船东要求，需设计一艘B级航区，主船体由四个等分片体的挖泥船，主尺度为：总长28米、型宽9米、型深2米，（每个片体14m×4.5m×2m），由四个片体以及甲板室挖泥机定位桩组合而成，如图1，图2。

由于该船的结构型式超出了《钢质内河船舶建造规范》（2016）的要求，其总纵强度、局部强度均有较大的改变，四个片体如何有效连接，并保证其强度、刚度满足使用要求，成为设计的关键。经与武汉河规所以及审图部门沟通，采取直接计算法的方式，对其结构强度进行校核。

1.计算依据

本次设计的分体式挖泥船航行于珠江水系B级航区的非自行挖泥船，为Ⅲ类工程船。船舶结构按照《钢质内河船舶建造规范》（2016），船舶作业部分主要是由放置于尾部主甲板#0—#10凹槽的挖泥机完成水下挖泥作业。依据《钢质内河船舶建造规范》（2016）10.1.2.2节要求：挖泥船、起重船的船体可采用符合以下规定的组合式浮箱结构，各箱体结构应以组装完整后的状态进行结构强度计算。依据《钢质内河船舶建造规范》（2016）10.2.4节要求：单杆 重量大于15t的Ⅲ类工程船和船长大于等于40m的Ⅰ、Ⅱ类工程船除应满足本节10.2.2.1/10.2.3.1的要求外，尚应按本篇2.2.4/2.2.5进行规定进行下述工况的总纵弯曲强度、局部强度和屈曲强度的校核。对Ⅲ类工程船的作业工况，其波浪载荷均按本篇2.2.4对B级航区的规定个计算。下面以总布置图、基本结构图、典型横剖面图、典型横舱壁图、型线图等为依据进行建模计算，计算工况依据稳性计算书及装载计算书。

2.计算工况

根据稳性计算书，具体计算工况如表2-1。

3.各工况波面形状

依据规范1.9.5.10节要求，整船模型计算，设计波为等效余弦波，波长等于船长，波高he按下式计算：

则本计算he= 0 . 6×（8 .13 4 -13.23×0.997+5.887×0.997×0.997）×（192.9×28/2-5.332×28×9/2-33.0 9×2 8+12 65 0.6）×10 -4×（0.953+0.7）=1.08m

确定波高后，依据规范要求计算工况中拱和中垂状态下的波面形状。

4.船体结构模型

（1）模型范围是采用全船模型进行计算分析。本船为四个箱体通过螺栓联接通构成一个整体。建模时，将四个箱体分别建立，实船上四个箱体之间在相临舱壁处处于贴合状态，但有限元计算时，为防止相临舱壁节点重合而发生联接，在建模时，需要将相临箱体之间设置50mm间隙，该间隙并不影响计算精度，将两箱分隔。四个箱体之间通过螺栓连接装置联接。

中拱工况：由于中拱变形时，相邻两个箱体的横舱壁处的船底会相互接触，在模型中将2个箱体船底节点建立一对一刚性mpc连接，发挥接触的作用。

中垂工况：由于中垂变形时，相邻箱体的横舱壁处的甲板相互接触，在模型中将2个箱体甲板节点建立一对一刚性mpc连接，发挥接触的作用。

（2）坐标系：取右手直角坐标系，原点取在#28中纵剖面船底处，x轴沿船艏方向，y轴沿左舷方向，z轴指向高度方向。

（3）单元网格：模型中主要采用板壳单元、梁单元和杆单元，板单元以四边形为主，在连接过渡的地方采用了少量三角形单元：

有限元网格尺寸：板壳单元的网格在船长、船宽及型深方向按1/4肋距尺寸划分。

5.边界条件

由于本船采用整船建模，不施加任何边约束，而采用惯性释放的方法来平衡重力与浮力。

6.总纵强度计算载荷

载荷包括舷外水压力、货物重量、结构自重等。其中舷外水压力载荷根据计算工况船舶处于平衡状态时的波面，按压力分布施加到模型的湿表面各单元上。

（1）舷外水压力：船底基线处的压力由波面高度决定，波面处的压力为0，舷侧从基线到波面压力值采用线性插值求得。通过编写PCL语言将波浪载荷压力引入到模型中。

（2）结构自重：结构自重以惯性力的形式自动加入。

（3）货物、燃油及压载水等载荷：货物、燃油及压载水以力的形式在相应区域加入。

（4）局部强度计算载荷：局部强度主要校核连接装置的强度，其载荷同总纵强度载荷，只分析连接装置区域的计算结果。

7.许用应力

按照《钢质内河船舶建造规范》（2016年）1.9.5.13相关要求，总纵强度船体构件：主甲板、强力甲板、船体外板、纵舱壁、甲板纵桁、龙骨的腹板及面板、横舱壁板、实肋板、强横梁、强肋骨的腹板及面板的单元应力不大于船体构件标准许用应力。

8.计算结果

总纵强度船体构件：主甲板、强力甲板、船体外板、纵舱壁、甲板纵桁、龙骨的腹板及面板、横舱壁板、实肋板、强横梁、强肋骨的腹板及面板的单元应力均不大于标准需用应力，计算结果合格。

9.结论

通过对28m分体式挖泥船进行全船有限元直接计算，结果表明各构件的最大应力均小于其许用应力，各板格屈曲因子大于规范要求的最小屈曲因子，28m分體式挖泥船总纵强度、局部强度、屈曲强度和28#横舱壁连接螺栓强度满足规范要求。目前，该套图纸已通过船检部门审核，较好的满足了船东的设计要求。

参考文献：

[1]钢质内河船舶建造规范（2016）.

[2]内河船舶法定检验技术规则（2011年）及其2015、2016年修改通报.