鏈斗式挖砂船直接計算分析

潘甜

摘要：砂石作為建筑工程中的基礎材料，是混凝土的底子質料。由于砂石需求量極大，采集砂石的船舶數量也劇增，砂石船的結構復雜，應力分布不確定性較大，因此對挖砂船的強度校核十分必要。本文以36.5米鏈斗式挖砂船為研究對象，采用MSC.Patran&Nastran軟件，對船體全船結構進行建模，計算分析及評估。對同類型的挖砂船強度評估具有一定的參考。關鍵詞：挖砂船;直接計算;結構強度;有限元

中圖分類號：U66文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0108-03

1引言

砂石是自然界中豐富的自然資源，由于其中含有硅元素，可以很好地用于制作玻璃;由于是很好的阻燃物質，可做消防存儲裝備。砂石還是我國質優價廉的建筑材料之一[1]，近些年來，隨著各種工程建設的發展，我國砂石需求持續不斷增長。挖砂產業的發展，在節約能源及材料的同時，使得經濟效益和社會效益得到了顯著的提升。

砂石的采集與運輸都需要使用特定船舶——挖砂船，挖砂船的種類主要有抓斗式挖砂船、絞吸式挖砂船、鏈斗式挖砂船。鏈斗式挖砂船是驅動斗橋循環運轉，使得多個斗循環連續挖砂。絞吸式挖砂船采用鉸刀切碎河砂由離心泵吸入進行作業。抓斗式挖砂船采用旋轉式抓斗機進行作業。挖砂船不僅可以作為挖砂的工具，還可以對河道進行淤泥及垃圾清理，為環境作出重要貢獻。

由于挖砂船特殊的結構形式，缺乏相應的規范，給設計人員帶來諸多不便。國內也有很多學者對挖砂船的計算及設計進行了專門的研究。

楊凱[2]對鏈斗式挖砂船結構強度進行了分析及優化，鏈斗式挖砂船由于工作運轉連續及聯合作用的外部風浪力會導致船體結構應力集中，有時會超出結構強度的應力限值，因此需要對挖砂船進行強度校核，尤其是工作狀態時，確定應力集中區域及最大變形位置，并在不滿足要求的情況下對其優化。

覃達斌[3]研究了珠江上游水域挖砂船結構強度直接計算，計算結果表明直接計算結構強度相比于比總縱強度計算，安全余量更為大一些，對結構考慮上，有限元直接計算相對更全面。

本文以36.5米鏈斗式挖砂船為研究對象，采用MSC.Patran&Nastran軟件，對船體全船結構進行建模，計算分析及評估。

2有限元模型計算

2.1有限元模型建立

36.5米挖砂船主尺度為：總長37.6m，假艉長1.1m，水線長36.5m，型寬8m，型深1.4m，吃水0.8m，肋距0.55m，載貨量15t，航區為B級航區。36.5米挖砂船總布置圖見圖1所示。典型橫剖面結構圖見圖2。

根據《鋼質內河船舶建造規范》（2016）開槽式工程船結構直接計算要求，采用三維有限元模型，本船為左右對稱結構，模型范圍為整船;橫向為整個船寬，各船體構件采用殼單元和梁單元進行模擬。本模型坐標系系統采用右手坐標系，見圖3所示，原點位于0#中縱剖面船底處，x軸向船首為正方向，y軸向左舷為正方向，z軸向上為正方向。模型如圖4所示。張少雄[4]研究了船體結構強度直接計算中應用慣性釋放，結果證明是可行的，且能更合理的評估結構強度，本文邊界條件亦是采用慣性釋放法。

2.2計算工況及載荷

對本船強度進行直接計算時，按下表1工況進行。按照細砂艙艙空載無泥（中垂、中拱），細砂艙滿載（中垂、中拱）進行計算。

載荷主要包括舷外水壓力和泥砂總重量。泥砂總重量為15t，均勻分布在細砂池內。舷外水壓力為等效設計余弦波，波長取船長，其波高為he按下式取值：

h=1.5k

式中：k—系數，k=-0.0018B+0.021B+1.082，取不大于1.0且不小于0.333;B—船寬，m。

3分析結果匯總

圖4給出了該艘挖砂船無泥中拱狀態下的相當應力，甲板、舷側板、船底板最大應力值為24.0MPa，最大應力位置在船首底部，并呈集中式，船中是第二大應力較大范圍。龍骨及船底縱桁的最大應力在靠近船艉，最大應力為63.1MPa，并據此向船首方向兩個肋位距離應力也教周圍范圍變大。橫艙壁最大應力為19.5MPa，靠近船艉端。強橫梁、強肋骨、實肋板最大應力也在靠近船尾處。圖5給出了該艘挖砂船有泥中拱狀態下的相當應力，有泥狀態對船舶結構受力趨勢影響較小，一定程度上會導致所有構件應力的增加。

圖6給出了該艘挖砂船無泥中垂狀態下的相當應力中垂狀態下的相當應力，甲板、船底板、舷側板最大應力為27.3MPa，最大應力位置在船尾甲板位置，呈集中式，小范圍過渡。船首是第二大應力較大范圍。龍骨及船底縱桁最大應力為48.9MPa，在船中位置。橫艙壁最大應力為14.7MPa，在靠近槽口的未開槽橫艙壁底部。強橫梁、強肋骨的最大應力在船中部。圖7給出了該艘挖砂船有泥中拱狀態下的相當應力。有泥狀態對船舶結構受力趨勢影響較小，但會一定程度上減小各構件的應力。

根據《鋼質內河船舶建造規范2018》結構強度直接計算規定的許用應力標準，各構件的應力匯總見表2。各構件計算的等效應力、船長方向應力和剪應力均小于許用應力。表明各構件滿足規范要求。

4結論及建議

（1）由表2可得，本文的36.5米挖砂船船體局部強度滿足規范要求。

（2）從36.5米挖砂船結構及船體有限元應力分析結果中可得：根據應力分布，設計時應注意的應力較大位置有：船首船底板與船尾甲板處;橫艙壁靠近槽口處未開槽船中底部;甲板縱桁、龍骨及船底縱桁船中部。

（3）計算分析的過程表明，準確的模型建立、合理的網格劃分、科學的載荷模擬及正確的邊界條件約束是有限元計算的保證。

參考文獻：

[1]魏健斌.強化源頭綜合治理根治運砂船超載安全隱患[J].武漢交通職業學院學報，2013，15（03）：14-17.

[2]楊凱.鏈斗式挖泥船結構強度分析及優化[D].大連理工大學，2018.

[3]覃達斌.珠江上游水域挖砂船結構強度直接計算研究[D].武漢理工大學，2013.

[4]張少雄，楊永謙.船體結構強度直接計算中慣性釋放的應用[J].中國艦船研究，2006（01）：58-61.

[5]中國船級社.鋼質內河船舶建造規范[M].北京人民交通出版社，2009.