49.8m鏈斗式挖砂船結構有限元分析及優化

馬宏彬

（安徽省皖江船舶檢驗局，安徽 蕪湖 241000）

1 緒論

1.1 選題的背景和意義

為了改善航道條件,提高水運經濟效益和社會效益，航道疏浚工作顯得尤為重要。挖砂船作為工程船之一，在江河湖泊的疏浚工程中得到了廣泛應用。

挖砂船雖然帶來不菲的經濟效益，但是其事故也頻頻發生，帶來了經濟損失和人員傷亡。挖砂船事故已經成為水上多發事故之一，穩性和結構強度方面令人堪憂。

1.2 挖砂船主要型式

從挖砂方式上可以分為機械挖砂和吸揚挖砂兩大類。機械挖砂主要是利用沙斗在水下進行作業，沙斗型式不同，所以可分為抓斗式、鏈斗式、鏟斗式三種。

2 計算要素及模型

2.1 計算船基本情況

本文選取49.8m 鏈斗式挖砂船作為研究分析對象，主尺度如表1 所示。根據CCS《鋼質內河船舶建造規范》（2016）10.1.2.3 工程船的開槽長度一般應不大于0.3L，開槽寬度一般應不大于0.4B 時，否則尚應按本章附錄II 采用直接計算校核船體的結構強度。本船開槽長度33.8m，，不滿足規范要求。開槽寬度2.5m，，滿足規范要求。本船尚應按規范采用直接計算方法進行強度校核。

表1 計算船主尺度

2.2 船體建模

利用有限元計算軟件MSC/Patran 和Nastran 對此船進行全船模型有限元分析。對外板、甲板等采用殼單元模擬，其他骨材采用梁單元模擬。圖1 給出了挖砂船的全船有限元模型。

3 總縱強度校核

3.1 邊界條件

開槽區域兩側邊浮艙首封板施加橫向、垂向線位移約束，即uy=uz=o；尾封板與首部左舷節點對應的節點施加縱向、橫向、垂向線位移約束，即ux=uy=uz=o；尾封板與首部右舷節點對應的節點施加橫向、垂向線位移約束，即uy=uz=o，具體如表2。

表2 全船模型邊界條件

3.2 施加載荷

根據CCS《鋼質內河船舶建造規范》（2016）中1.9.5.10 中對整船模型計算載荷施加做如下要求：

計算載荷應包括舷外水壓、貨物載荷和結構重量等；

舷外水壓;貨物載荷;結構重量;平衡調整：采用整船模型時，總重力與總浮力的誤差不大于0.002 倍排水量（t），重心與浮心的縱坐標誤差應不大于0.005 倍船長（m），否則應重新調整。

3.3 有限元分析結果

3.3.1 許用應力的確定

根據《鋼質內河船舶建造規范》（2016）第1 篇第1.9.5.13 節規定，對該船總縱屈服強度進行校核，細化網格區域應力不大于規定許用應力的1.6 倍。

3.3.2 計算結果匯總

經過計算，49.80m 鏈斗挖砂船船體結構總縱強度匯總于表3 中，在讀取有限元結果時，需要排除因約束造成的不真實的應力集中現象。

表3 總縱強度最大彎曲應力及剪切應力匯總與校核

3.4 最終方案

綜合考慮經濟性和安全性問題，在增加板厚的基礎上增設折邊型過渡，大幅度避免應力集中現象，保障施工作業人員安全。49.80m 鏈斗挖砂船船體結構總縱強度匯總于表4 中，滿足強度要求。應力集中現象降低，應力最大值在船中區域。

表4 優化后總縱強度最大彎曲應力及剪切應力匯總與校核

4 結論

本文研究內容總結如下：

（1）通過有限元軟件校核總縱強度，計算中拱狀態各處最大應力滿足要求，中垂狀態橫艙壁板未能滿足強度要求，超出約100Mpa。

（2）通過分析，發現開槽處出現應力集中現象，細網格區域（開槽處）彎曲應力和剪切應力明顯高于粗網格區域。

（3）開槽處板厚設置為14mm，角隅處改為折邊型過渡，得到的應力低于許用應力，并存在一定裕度，顯著降低應力集中現象，應力最大值在船中區域，選擇其為最終方案。

本文的相關研究雖然符合課題要求并達到了相關目的。但是在研究分析過程中依然存在著以下問題，可以在接下來的研究工作中進行改進和完善。

（1）由于研究時間長度有限，船體結構進行三維有限元建模時，未能使用最優化的網格劃分。

（2）本文優化方案僅對其經濟性、安全性進行考慮，未對其穩性、浮性、扛沉性等方面進行進一步考慮。期望以后能在各方面進行綜合性考慮，形成更加完備的設計方案。