绞吸式挖泥船波浪载荷及横向强度直接计算

余玮

(中国船级社 上海分社，上海 200135)

绞吸式挖泥船波浪载荷及横向强度直接计算

余玮

(中国船级社 上海分社，上海 200135)

为了优化绞吸式挖泥船船型的设计，提高绞吸式挖泥船的设计质量和效率，以一艘124 m绞吸式挖泥船为研究对象，根据三维势流理论，采用SESAM软件系统对其波浪载荷进行直接计算，并与中国船级社《国内航行海船建造规范》(以下简称“规范”)的计算值进行比较；采用MSC. patran/nastran软件进行泥舱横向强度有限元直接计算分析，对横向强度进行校核，确认合理的符合绞吸式挖泥船船型特点的波浪载荷、关键结构控制区域以及装载工况，为优化设计、提高设计质量和效率提供依据。

绞吸式挖泥船；波浪载荷；横向强度

绞吸式挖泥船装有泥泵和吸泥装置，挖泥时通过旋转绞刀将河底泥沙进行切割和搅动，再用泥泵将泥浆从泥管吸入，经过排泥管输送到泥沙物理堆积场。它的挖泥、运泥、卸泥等工作过程，可以一次连续完成，是一种效率高、成本低、性能良好的水下挖掘机械，在目前疏浚工程中有着广泛的应用[1]。

绞吸式挖泥船有着不同于常规船型的结构特点[2]。其作为工程船的特殊性，首尾均有很大的开槽来设置桥架和台车，主甲板上的大开口以及放置在船体上的复杂工程设备都使其在结构强度和变形等问题上不同于常规的船舶。其尺度范围也常常超出规范的范围，不能直接采用规范公式计算波浪载荷和进行强度校核。

本文以一艘124 m绞吸式挖泥船为研究对象，根据三维势流理论采用SESAM软件系统对其波浪载荷进行直接计算研究，并与规范计算值进行比较；采用MSC. patran/nastran软件进行横向强度有限元直接计算，给出此类船型的横向强度校核方法。

1 船型特点

本船为自航吸泥船，主要功能为先在某一指定地点从海底吸泥，然后装载至另一指定地点，由其他船将泥舱中的泥从本船中排出。本船为单甲板、双层底、双机、双桨、艉机型船，包括艉尖舱舱壁和防撞舱壁在内，全船共有5道水密横舱壁。泥舱长度50.4 m。泥舱区域主甲板、外板、泥舱平台甲板均为纵骨架式，机舱区域、首部区域、上建及甲板室区域为横骨架式；泥舱区域、泵舱区域、机舱区域设置双层底，其他区域为单层底。

2 船型资料及计算工况

2.1 船型资料

目标船的主要船型参数如表1。

表1 主要参数

2.2 计算工况

根据装载手册，计算工况选取挖泥船的典型工况，即装载至最深挖泥吃水的满载工况以及压载调遣工况，其中满载工况根据泥浆密度不同，装载水平也不同。该算例中，满载工况选取密度最大时的装载水平。主要参数见表2。

3 波浪载荷直接计算

3.1 三维水动力计算模型

采用SESAM软件系统中的geniE模块建立船体湿表面模型(panel model)和质量模型(mass model)，湿表面模型和质量模型构成了HydroD中的水动力计算模型[3-4]。通过调整浮态使得水动力计算模型中的排水量和艏艉吃水与实船装载状态一致。沿船长方向从艉垂线到艏垂线，每间隔7.92 m取一个计算截面，共16个计算截面。水动力模型见图1。

表2 装载状态主要参数

3.2 计算参数

为了研究船体在不同浪向角的波浪作用下的波浪诱导载荷规律，选取0°～180°、间隔为30°共7个浪向角。

为了研究各种有意义的频率对船体的作用，选取的波浪频率范围为0.4-1.7 rad/s，步长取0.05 rad/s，共27个频率。

根据该船的航线，选用对应海域最危险的波浪散布资料，即中国沿海波浪散布图，参见《西北太平洋波浪统计集》[5]。因该海域波浪未充分发展，故采用的波浪谱是JONSWAP谱。

3.3 波浪载荷短期预报

图2和3为船中截面的垂向波浪弯矩，图4和5为L/4和3L/4截面的垂向波浪剪力。

船中垂向波浪弯矩有2个峰值，180°浪向频率0.7 Hz和60°浪向频率1.1 Hz左右；满载状态下L/4和3L/4截面垂向剪力最大值出现在60°浪向频率1.1 Hz附近，压载状态下L/4和3L/4截面的垂向剪力最大值出现在浪向180°、频率0.7 Hz附近。

由此可见，对于波浪垂向弯矩和垂向剪力，180°浪向、频率0.7 Hz和60°浪向、频率1.1 Hz的波浪为最危险的波浪工况。

3.4 波浪载荷长期预报

图6和图7分别为垂向波浪弯矩和垂向波浪剪力沿船长方向剖面的分布。满载状态下的垂向波浪弯矩和垂向波浪剪力大于压载状态，船中剖面处的垂向波浪弯矩值最大，L/4和3L/4截面处的垂向波浪剪力值最大，这与常规船型规律是一致的。而满载状态下垂向波浪弯矩和剪力直接计算值大于“规范”计算值，说明对于该类船型，需采用直接计算法进行波浪载荷的计算。

4 横向强度直接计算

4.1 横向强度校核方法

本船是有泥舱的挖泥船，B/D≤3，满足《规范》尺度要求，但泥舱长度大于30 m，所以需要用直接计算法校核其横向强度。

横向强度直接计算的参考资料有CCS《油船结构强度直接计算分析指南》[6]、《双舷侧散货船直接计算指南》[7]；CCS《国内航行海船建造规范》[8](以下简称《规范》)；还有《舱长大于30 m的船舶结构横向强度计算要求》[9](以下简称《要求》)。它们在模型范围、载荷、边界约束条件、计算工况以及应力衡准等方面都有不同之处，必须合理地将《指南》、《规范》与《要求》中所述规则综合应用到挖泥船横向强度计算中。挖泥船横向强度校核方法的整体框架可以参照“要求”的指导原则，载荷计算可参照《规范》。

4.2 模型范围

根据《要求》，模型范围应包括船中1/2泥舱+1/2泵舱，船宽方向采用全宽模型，垂向范围为整个型深。坐标系采用笛卡尔坐标，其X轴沿船体纵向指向船艏，Y轴沿船宽方向指向左舷，Z轴垂直向上。网格划分按照《规范》要求。有限元模型见图8。

4.3 载荷

1)泥舱内压力。泥浆流动性的特点，使得泥浆载荷的作用方式与液体基本相同[10]。所以泥舱内部载荷按《规范》第2篇第9节1.9.5规定进行计算，密度取最大泥浆密度。

2)舷外水压力。舷外水压力按《规范》第2篇第9节1.9.3规定进行计算。

3)压载水压力。压载水压力按《规范》第2篇第9节1.9.5规定进行计算。

4.4 边界条件

模型的两端面(简称A端和B端)需约束，A端面约束δx、δz、θy、θz，B端面约束δz、θy、θz。

4.5 应力衡准

许用应力的选取参照《要求》，各构件的许用应力见表4。

表4 许用应力

注：σe为板单元等效应力；σl为板单元长度方向上的应力；σw为板单元宽度方向上的应力；τ为板单元剪应力；k为材料系数。

4.6 计算结果

图9为板单元最大等效应力云图，图10为板单元最大剪应力云图，图11为板单元最大纵向应力云图，图12为梁单元最大轴向应力。最大等效应力和最大剪应力出现在船底肋板两端靠近舷侧内壳板区域，船长方向最大正应力出现在内底板与横舱壁连接处，船宽方向最大正应力出现在船底板中间位置区域。泥舱段主要构件应力水平均小于许用应力，船结构横向强度满足要求。工况1(作业工况，泥舱满载)的应力水平远高于工况2(无限航区调遣工况，泥舱空载)，说明挖泥工况偏于危险，在设计初期应优先考虑挖泥工况是否能满足强度要求。

5 结论

1)波浪载荷直接计算值大于《规范》计算值，对于绞吸式挖泥船的波浪载荷计算要采用直接计算法。

2)对于绞吸式挖泥船泥舱的横向强度，应重点关注的区域为泥舱船底板架结构。

3)对于绞吸式挖泥船，泥舱满载挖泥工况是较危险工况，在设计初期应优先考虑该工况下的结构强度是否满足要求。

4)将CCS的《规范》和《要求》相结合，以长度超过30 m的货舱来分析校核挖泥船横向强度。该方法同样可用于规范中对挖泥船主尺度比超出限定范围的要求。

[1] 何炎平，谭家华．大型自航绞吸式挖泥船的发展和有关问题的思考[J].中外船舶科技，2008(2):8-13.

[2] 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(5):1-5.

[3] 蒋昌师，刘亚东.大型自航绞吸挖泥船的耐波形预报[J].船舶工程，2011(3):13-16.

[4] 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.

[5] 方钟圣，金承仪，缪泉明.西北太平洋波浪统计集[M].北京：国防工业出版社，1996.

[6] 中国船级社．油船结构强度直接计算指南[S].北京：人民交通出版社，2003.

[7] 中国船级社．双舷侧散货船结构强度直接计算指南[S].北京：人民交通出版社，2004.

[8] 中国船级社．国内航行海船建造规范[S].北京：人民交通出版社，2014.

[9] 中国船级社．舱长大于30 m的船舶结构横向强度计算要求[S].上海:上海规范研究所，2006.

[10] 刘强．大型耙吸式挖泥船泥舱结构横向强度校核方法分析[J].船舶与海洋工程，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

余玮(1961—)，男，学士，高级工程师

U661.43

A

1671-7953(2017)02-0026-04

修回日期：2016-10-29

研究方向:船舶结构建造检验、船舶结构设计