沿海選礦船選礦系統支撐裝置強度分析

楊 輝，高卓鵬

(1.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201108)

0 引言

目前，世界各國為維護海洋權益越來越重視海洋資源的開發與利用。特別是近年來隨著鐵礦石資源開發的逐年擴展，針對濱海砂礦的開發，已成為人們關注的熱點[1]。 因此，從維護我國海洋權益的角度出發，迫切需要發展海洋礦產資源開發裝備。

在淺海采礦領域，國內一些改造過的吸砂船，可以在淺海采掘鐵砂礦，但效率低，能耗高，無法形成規模化生產。因此，需要設計配備船載智能選礦系統的專用選礦船，在采礦船的配合下實施礦物的及時分選。

選礦船主甲板近似長方形，其上方主要布置選礦設備及其廠房，并采用開敞型的桁架式結構。選礦系統整體高度較高，整船的空船重心偏高，受風面積較大，因此該船作業時受風、浪、潮流的影響也很大。為確保這種開敞式選礦系統支撐結構的安全，本文采用MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN軟件對整體選礦系統結構建立有限元模型并進行應力分析，以提高選礦系統布置的合理性，同時能直觀準確地驗證選礦系統的結構強度。

1 選礦系統支撐裝置功能及結構布置

本文研究依據澳大利亞Amex 公司斐濟MBa Delta鐵礦砂項目。該項目是我國首個自主設計建造并出口的大型海上采選礦項目[2]。

一套配合采礦船實施礦物及時分選的船載智能選礦系統由粗磁選機支撐平臺、細篩分礦器支撐平臺、振動篩及精磁選機用支撐平臺、高頻振動細篩支撐平臺、緩沖斗、通道及頂棚等部分組成，總體劃分為4 個功能區域。選礦系統支撐結構(橫剖面圖)見圖1。

圖1 選礦系統支撐結構剖面圖

2 建立有限元模型

2.1 支撐結構模型

建立模型時采用三維板梁組合單元。有限元模型包括了選礦系統支撐裝置的所有構件及其船體支撐結構，模型中構件尺寸均為建造尺寸。建模時，縱向范圍為船首至船尾；橫向取左舷舷側至右舷舷側；垂向包括甲板向下1 200 mm范圍的整個結構，以及甲板向上整個鋼結構。有限元模型見圖2。

圖2 選礦系統支撐平臺模型圖

2.2 邊界條件

模型底端約束3個方向線位移。

2.3 計算載荷

選礦系統的支撐裝置強度分析，主要考慮在航行和作業時，支撐裝置所受的各種外載荷對強度造成的影響。

(1)工作作業工況主要考慮設備載荷和風壓。

設備載荷包括緩沖斗、分礦箱、振動篩、通道材料和相關管系等安裝在支撐裝置上的設備自重，以及含各設備和相關管路內的礦漿質量。緩沖斗在模型中相應受力位置施加面壓力，設備通過質量點的方式按照其布置位置進行加載。有限元載荷施加見圖3和圖4。

圖3 平臺上的設備載荷施加

圖4 緩沖斗上的載荷施加

(2)航行工況主要承受運輸過程中半潛船提供的運動加速度及風壓。

本船裝載在半潛船上進行遠距離運輸，因此運輸用半潛船的運動數據作為本船航行工況的運動載荷施加依據。參數數據：縱向加速度1.407 m/s2，橫向加速度2.534 m/s2，垂向加速度2.165 m/s2，最大橫搖角8.841°。本模型中inertial load施加的力為<1.40，-2.53，-11.96>。

參照《起重規范》，風壓P=0.613V2，其中V為風速，V=35 m/s。經計算：P=750 Pa。在模型中頂棚相應受力節點位置，每處施加750 Pa面壓力。有限元載荷施加見圖5。

圖5 頂棚風壓載荷的施加

3 結果分析

3.1 許用應力衡準

主船體結構材料采用Q235鋼，其屈服強度為235 MPa，材料系數K為1.0。根據《海規》規定，板單元和梁單元的許用相當應力為235 MPa，許用剪切應力取屈服強度的0.6倍，為141 MPa。

支柱結構材料采用Q345鋼，其屈服強度為345 MPa，材料系數K為0.72。根據《海規》規定，板單元和梁單元的許用相當應力為326 MPa，許用剪切應力取屈服強度的0.6倍，為196 MPa。

3.2 應力計算值匯總

工作工況和航行工況下的有限元分析中最大應力結果匯總見表1和表2。

表1 工作工況下構件最大計算應力 單位：MPa

表2 航行工況下構件最大計算應力 單位：MPa

3.3 最大應力云圖匯總

工作工況下最大相當合成應力云圖見圖6，支柱最大相當合成應力云圖見圖7；航行工況下最大相當合成應力云圖見圖8，支柱最大相當合成應力云圖見圖9。

圖6 工作工況下最大相當合成應力(單位：MPa)

圖7 工作工況下支柱最大相當合成應力(單位：MPa)

圖8 航行工況下最大相當合成應力(單位：MPa)

圖9 航行工況下支柱最大相當合成應力(單位：MPa)

4 結論

(1)為增加支撐裝置結構的整體剛性，對支撐裝置進行了針對性的結構優化。各平臺和桁架之間局部區域增設斜撐結構。緩沖斗重量重、體積龐大，對其支撐的平臺是本選礦系統的重載平臺，同時由于布置在選礦系統的上端，其所承受的船舶運動加速度載荷及局部集中重力載荷最大，所以緩沖斗的支撐平臺采用板架式結構，以及支柱和T型材結構對緩沖斗進行局部加強。另外，采用工字型材連接外側遮陽頂棚支柱與內部各支撐平臺支柱，增加整個選礦系統支撐平臺的強度。通過有限元計算結果得知，該設計及優化方式滿足強度要求。

(2)高頻振動細篩因為振動頻率極高，振動大，對結構強度要求非常高。高頻振動細篩平臺應增設加強支柱至主甲板，并用斜撐結構對支柱加強，以減小設備振動和噪聲。

(3)支撐裝置的結構設計，應重點關注船舶運動加速度的影響。通過有限元載荷計算發現，主船體的縱搖、橫搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩等產生的動載荷，對支撐裝置結構的應力值影響很大，必須從橫向、縱向、水平三個方向上采用板架結構、桁架結構或其他等效結構進行加強。