淺談耙吸挖泥船的結構設計優化

陳曙梅 汪戰軍 楊東亞

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

耙吸挖泥船是一種靈活、穩定、效率高、應用范圍廣的工程船，在我國航道疏浚與沿海吹填等工程中發揮了很大作用。從2005年以來，已有一大批大型耙吸挖泥船相繼建造并投入使用，這些船主要由七○八研究所設計開發。在設計過程中，設計者不斷總結經驗，將設計進行優化，使中國制造的大型耙吸挖泥船接近國際先進水平［1］。

較之常規船型，耙吸挖泥船的結構設計更為復雜，與其他專業的配合也更為緊密，而船級社對結構剛性的要求通常也高于常規船。耙吸挖泥船的船體結構重量一般占空船重量的一半以上［2］，船體結構設計的優化對減輕重量、提高運行效率有重要意義。大型耙吸挖泥船的結構設計復雜，本文僅從總強度校核的角度出發，以萬方級別的耙吸挖泥船為例，剖析了大型耙吸挖泥船的結構設計優化方向。

1 萬方級耙吸挖泥船的總強度校核及結果

該船主尺度如下:

根據中國船級社《鋼質海船入級規范2009》，船舶主尺度比值不滿足規范要求，波浪彎矩和剪力需直接計算［3］。

本船符合主流大型耙吸挖泥船設計，在船中設置開敞泥艙，泥艙長度約占船長的45%。船中0.4L范圍為FR 52～FR 121， 泥艙范圍為FR 52～FR 130，泥艙內設置20個泥門，2個溢流筒，底部設置箱形龍骨。

耙吸挖泥船的校核工況分為航行工況和作業工況。作業工況為沿海航區，可按照規范，將波浪彎矩和剪力進行一定的折減。表1給出了萬方級耙吸挖泥船的典型工況。

表1 萬方級耙吸挖泥船典型裝載和工況

選取5個典型剖面進行總強度校核，其中FR 35、FR 145分別為艉部和艏部船底為橫骨架式的剖面；FR 52、FR 130為泥艙前后端壁，也是全船靜水切力最大處；MS為泥艙段典型剖面。剖面構件的計入原則嚴格遵守中國船級社 《鋼質海船入級規范2009第二分冊》的要求。

總強度的校核結果如下所示。

1.1 彎曲強度校核

見圖1、圖2，分別為航行工況和作業工況下的許用靜水彎矩和實際靜水彎矩的比較。

1.2 剪切強度校核

見圖3、圖4，分別為航行工況和作業工況下的許用靜水剪力和實際靜水剪力的比較。

表2給出了各剖面實際彎矩剪力與許用彎矩剪力比值（利用系數）的匯總表。

表2 各剖面靜水彎矩和剪力利用系數匯總表

1.3 屈曲強度的校核

見表 3～表 5。

表3 受壓板格屈曲強度校核

表4 受剪板格屈曲強度校核

表5 受壓縱骨的屈曲強度校核

2 結果分析

根據總強度的校核結果，可知該耙吸挖泥船的總強度滿足規范要求，且彎矩及剪力均有足夠儲備。

經過幾年的優化，國內設計的大耙船結構重量與空船重量之比已逐步下降。從本船的總強度校核來看，該船的結構仍有優化空間，結構重量還可以進一步降低。結構重量的降低，有利于減輕空船重量，可保證和提高裝載量，對大耙船有直接經濟效益。當然，導致總強度儲備較國外設計同類船型較大的原因很多，諸如國內船東對使用壽命的期望值、設計初期的彎矩剪力估算、高強度鋼的使用比例以及與船體相連的疏浚設備重量控制等。

本文從船體強度的角度出發，根據船體各部分受力方式的不同，將船體結構分成三部分來討論其優化設計的問題。

2.1 船中0.4L的泥艙結構

泥艙結構是耙吸挖泥船重要的組成部分，用來裝載約占排水量2/3的泥漿，底部設置了泥門，可以迅速卸泥。泥艙在一天經歷的裝、卸泥次數多達8～10次，泥艙結構的主要受力見表6。

表6 泥艙段結構的受力

從該處的靜水彎矩和剪力可知，該處的彎矩在船中達到最大，而剪力最小。因此剪切強度不是該處考慮的重點，如何保證該處結構的縱向抗彎能力是主要問題。由于泥艙為開敞形式，甲板有大開口，而底部又有泥門開口，若提高抗彎剛度，應選取較大的泥艙甲板和船底板厚度，泥艙甲板一般采用高強度鋼。因其承受的垂向剪力較小，可以考慮在保證局部強度和橫向強度的前提下，盡量不增加垂向構件的尺寸，如外板、泥艙縱壁等。泥艙段多為中垂狀態，更多考慮中和軸以上受壓構件的屈曲強度。

2.2 泥艙前后端壁附近結構

泥艙前后端壁附近結構連接了泥漿艙與前后設備艙，同時有管系從這里穿過。艙壁附近的結構受力特點見下頁表7。

表7 泥艙前后端壁附近結構的受力

泥艙前后端壁處部分結構仍在0.4L范圍內，但縱向彎矩比船中減少很多，而剪力在此處達到峰值，剪切強度為該處考慮的重點。因此，結構的優化可從適當降低抗彎剛度入手，而垂向構件的尺寸尤其是舷側外板，應比船中大些，以提高抗剪能力。在實際應用中，泥艙前后端壁處多為剖面發生突變處，如大開口結束處等，是否減小甲板和船底板的厚度還應根據實際情況而定。以本船為例，前后端壁附近考慮剪切而增加了舷側外板的厚度，但為保證局部強度及縱向連續，甲板及船底板不能減薄，因此出現了該處剖面模數較中剖面模數大的現象。

值得一提的是，泥艙內離開前后端壁一定距離后，剪力仍較大，建議舷側外板的加厚范圍前后應不小于 0.04L（船長）。

2.3 離泥艙段較遠的結構

泥艙段前后多為設備艙，即機艙、電機艙（輔設備艙）、泥泵艙等，該處線型逐漸變化，雙層底的形式也大多由縱骨架式逐漸過渡到橫骨架式。該處結構的受力特點見表8。

表8 泥艙以外結構的受力

該處結構承受的縱向彎矩和垂向剪力都避開了峰值，但要考慮局部強度和屈曲強度。該處的橫骨架式對板格的屈曲不利，尤其要注意船體內部構件，如內平臺、雙層底的屈曲。為保證屈曲強度，應適當降低該處的許用靜水彎矩。從總縱強度校核的結果來看，該處的許用彎曲應力僅為80 MPa，僅為船中處設計應力（175 MPa）的45.7%。

泥艙段以外的結構，還要關注0.2L～0.3L和0.7L～0.85L處的單殼結構。該處外板需要足夠的厚度，才能保證其剪切強度。還應盡量保證各層甲板的縱壁上下對齊，改善整體結構的抗剪能力。

機艙、舵機艙、首側推艙處的結構，需更多考慮抗振性，及抗變形能力。

3 結 論

本文根據總縱強度的計算結果，主要分析各部分結構的優化方向，可得出以下結論:不同部分的船體結構根據承受載荷不同，可在滿足剛度和局部強度的同時，適當減小某些位置的構件尺寸。

（1）船體中部舷側外板可不必刻意加厚，泥艙甲板和船底板厚度應予以保證；

（2）泥艙前后端壁附近結構舷側外板加厚，加厚范圍不小于端壁前后0.04L（船長）；

（3）其他部分的結構在保證局部強度的前提下，橫骨架式部分的板格長度不要過大，多用加筋的方式減小板格，改善屈曲強度；垂向艙壁盡量上下對齊，改善剪切強度。

以上結論僅從總縱強度角度出發得到。實際工程中，還應綜合考慮各種影響結構設計的因素，并結合計算，達到結構優化，減輕重量的效果。

［1］紀凱.16888 m3耙吸挖泥船設計簡介［J］.上海造船，2007，72（04）:24-26.

［2］劉厚恕，王忠復，王忠賢，張太佶.大型耙吸挖泥船泥艙及其在我國的發展前景［C］.中國（上海）第一屆國際疏浚技術發展會議及展覽會大會論文集，2003.

［3］CCS.鋼質海船入級規范［S］.2009.