耙吸挖泥船吊放系統支撐結構設計與強度評估

摘" " 要：本文通過對耙吸挖泥船吊放系統的載荷特點及其其與船體連接處的受力情況分析，探討了有限元法校核連接處結構強度和局部振動性能，總結了工程船此類特殊設備的加強結構設計和計算校核方法。作為耙吸挖泥船作業的重要輔助設備，吊放系統必須安全、可靠，與船體連接有足夠的強度和剛度，能滿足頻繁吊放耙管的需求。研究吊放系統的加強形式和強度校核方法，可為工程船特殊設備的船體加強區域的結構設計提供實用的參考。

關鍵詞：耙吸挖泥船；結構設計；有限元；吊放系統

中圖分類號：U663.7" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Design and Strength Verification of the Supporting Structure for Hoisting System of Trailing Suction Dredger

GUO Xingqian1，" Tang Pengfei2，" Chen Shumei1，" LIU Shuxiang1，" Zhang Yong1

（ 1.Marine Design amp; Research Institute of China，" Shanghai 200011， China;

2. National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.， Ltd.，" Shanghai 200082， China ）

Abstract： In this paper， through the analysis of the load characteristics of the hoisting system of the trailing suction dredger and the force at the connection with the hull， the structural strength thereof and local vibration performance verified by way of the finite element method are discussed， and the reinforcement structure design and calculation verification methods of such special equipment of engineering ships are summarized. As an important auxiliary equipment for the operation of trailing suction dredger， the hoisting system must be safe and reliable， and be connected with the hull by sufficient strength and rigidity to meet the needs of frequent hoisting of rake pipes. The study of the reinforcement form and strength verification method of the hoisting system can provide practical reference for the structural design of the hull reinforcement area of the special equipment of the engineering ships.

Key words： trailing suction dredger;" structural design;" FEM;" hoisting system

1" " 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，它的主要設備由泥耙、泥泵、閘閥、管道系統和泥艙組成。耙吸挖泥船作業時，需借助吊放系統將耙頭和耙管放入水底，進行挖泥作業，挖泥完成后，將其吊出存放在甲板上。吊放系統必須安全、可靠，與船體連接有足夠的強度和剛度，能滿足頻繁吊放耙管的需求[1-2]。

耙吸挖泥船的吊放系統通常設在船中至船尾的舷側甲板上，根據挖深的不同，約占1/2～3/4船長，由吊架、絞車、導向滑輪和波浪補償器組成。最常見的吊放系統為三點式，分為耙頭區、耙中區和彎頭區三部分。每個區域分別設置一臺吊架、一臺絞車和一組或幾組導向滑輪，波浪補償器只在耙頭吊架處設置。三個區域設備對幾十米長的耙管，于耙頭端、中部和吸口端分別控制，協同完成吊放作業。常用的耙管吊放系統示意圖見圖1。

船體結構由空間板架組成，為大型柔性結構。研究吊放系統的結構加強，在關注該區域船體強度問題的同時，更應該關注該區域的剛度問題。

與船體結構的剛度相比，吊放系統及其底座的剛度差異較大，可視為剛性體。設計中必須考慮吊放設備與船體連接區域的結構剛度。加強剛度過大，易與附近結構剛度不匹配造成局部應力突變，形成安全隱患，同時造成材料浪費；加強結構剛度過小，設備使用過程中，船體局部變形過大，也會影響設備正常使用。

吊放系統的使用過程中，挖泥船機艙內動力設備仍在運行。若吊放系統在機艙區域布置有吊架等大型設備，則該區域的甲板載荷較大，且與動力設備布置很近，也應關注結構的動力問題。本文研究了機艙區域吊放設備加強結構的局部振動，確保局部加強結構在剛度發生改變后，不會引起與設備的共振問題。

吊放系統的加強結構，一直被列為耙吸挖泥船獨有的特殊結構，其設計和校核，是結構設計的重點關注部分。現有規范雖提出需額外關注此處，但沒有給出設計要求和強度校核方法。隨著耙吸挖泥船艙容、作業深度不斷增大，耙吸管長度與質量也隨之增加，用于起吊耙吸管的吊架載荷也不斷加大，對加強結構的設計提出了更高的要求[3]，吊放系統為一個整體，由于與船體的連接處較為分散，各部位只能按照加強位置、受力情況分別考慮。鑒于對吊放系統理解的局限性，極易出現疏漏，也曾出現過此類事故，從而影響施工作業。在此背景下，本文依托某中型耙吸挖泥船，研究了吊放系統的工作載荷，確定連接處加強結構的校核工況，給出合理的加強結構形式，利用PATRAN軟件進行了有限元強度計算，并分析了加強區域的局部振動性能，總結出該類特殊結構的設計要點及工程適用的強度校核方法。

2" " 技術路線

吊放系統與船體連接處的加強，采用的技術路線參考了規范對甲板設備的下加強要求，同時結合吊放系統整體協同作業，船體受力分散的特點。受力分析及設備與船體連接形式為加強方案設計的基礎，有限元方法為強度校核手段，校核范圍、校核衡準的確定，為強度校核的方法和依據。強度校核結果最終改進了吊放系統的加強結構形式，具體流程見圖2。

3" " "依托工程

選取了國內主流的中型耙吸挖泥船的吊放系統加強為依托研究對象。該船泥艙約4 500 m3，采用單耙，吊放系統設計在船尾至船中偏尾部的主甲板右舷上。這種布局為泥艙區主甲板留出較充裕的甲板面積，也是目前新造耙吸挖泥船的常用形式。水平狀態下的的吊放系統見圖3。

作業時，耙頭、耙中及彎頭絞車同時收放鋼絲繩，耙頭、耙中鋼絲繩通過固定在船體上的導向滑輪和A字形吊架頂端的滑輪，連接在耙管上，彎頭絞車鋼絲繩通過滑塊與耙管連接。三組吊架均可同時通過液壓缸向船體舷外側傾倒一定角度，配合鋼絲繩控制耙管入水和出水。作業過程中，耙管中是裝滿泥的[4-5]。

按照各設備的安裝位置，依托項目的吊放系統劃分為耙頭區、耙中區和彎頭區。耙頭區由耙頭吊架、波浪補償器、兩個固定導向滑輪、一臺耙頭絞車組成，其中耙頭絞車和一個定滑輪安裝在尾樓甲板上，其他設備安裝在船尾主甲板上。耙中區有耙中吊架、一個傾斜放置的固定導向滑輪和一臺耙中絞車組成，除耙中吊架安裝于尾部機艙區域的主甲板上外，其他設備均在尾樓甲板上。

彎頭區的組成較復雜，包含彎頭吊架，舷邊滑軌、伺服架和滑塊等，彎頭吊架安裝在主甲板上，舷側滑軌內嵌于船體舷側，伺服架安裝在泥艙甲板的圍壁和頂部。由于法國船級社對舷邊滑軌有明確的結構加強要求，在此不做論述。各部分設備名稱見圖4。

4" " 受力分析

強度校核工況應考慮作用在船體連接處的最危險情況。同種類設備的加強形式應設計為相似結構，方便計算校核和設計優化。根據設備形式的不同，分別研究了吊架、絞車、滑輪和波浪補償器產生的載荷，并根據受力情況和結構加強情況，確定了依托工程的強度校核范圍。

考慮動載荷效應后，依托項目的吊放系統各設備在船體連接處產生的最大載荷見表1。

1）吊架載荷

耙頭吊架、耙中吊架和彎頭吊架，在吊架傾斜至最外側時，與船體連接處的載荷達到最大，此時受力點位于吊架外側動滑輪的鋼絲繩出繩處。

由表1可知，耙頭吊架的受力最大，耙中吊架次之，彎頭吊架最小。彎頭吊架所處區域為泥艙區，結構均為屈服強度355 N/mm2高強度鋼 （H36），彎頭吊架與舷邊滑軌的加強為一體化設計，剛度和強度相對富余，因此不做直接計算校核。耙頭和耙中兩個吊架由于加強結構分別位于強框架處和橫艙壁處，形式不同，需分別進行強度校核。

2）絞車載荷

絞車的受力沿鋼絲繩出繩方向，受力點選擇實際出繩位置最高點。絞車受力較簡單，載荷參考規范對系泊絞車的要求，并參照各設備的支持負荷，取其大值為絞車設計載荷。由于耙頭絞車載荷相對耙中絞車更大，且依托項目的下加強結構可設計為同樣的形式，因此只選取耙頭絞車加強為研究對象。

3）定滑輪載荷

定滑輪的受力在鋼絲繩出繩和入繩兩個方向的夾角最小時達到最大，設計載荷同樣參考規范對系泊設備的要求。定滑輪的受力、加強形式均不相同，因此對每個定滑輪的加強，均需進行強度校核。

4）波浪補償器載荷

波浪補償器的受力在垂直向上時達到最大，設計載荷為定滑輪和動滑輪組合后的受力。

設計載荷同時考慮動力放大系數。波浪補償器設計載荷比較大，與船體連接處面積很小，極易被設計者忽略，需特別特別注意。

5" " 強度校核

根據受力情況及結構加強形式，確定了強度校核范圍，并結合現有規范的相似結構校核衡準，確定了許用合成應力范圍。本文用Patran和Nastran進行建模、加載、計算。

1）模型選取

由于吊放系統設備的分布式設置，本文選取多個局部模型完成加強結構校核，模型共包含兩個吊架，三個定滑輪，波浪補償器和一臺絞車。模型采用1/4強框間距的網格大小，關心區域骨材腹板與板材均模擬為板殼單元，骨材面板模擬為桿單元，其他區域板和桁材腹板模擬為板殼單元，骨材及桁材面板模擬為偏心梁元；邊界條件考慮四邊簡支[6]。各設備的計算模型見圖5～圖8。

2）載荷模擬

除波浪補償器外，各設備的載荷均考慮MPC加載，加載點為實際受力點，計算模型需建入部分設備結構，滿足加載所需，波浪補償器建入模型，在其頂端受力處加載。

3）校核衡準

強度校核衡準參照中國船級社甲板設備起重機下加強結構的校核衡準，見表2。

4）強度校核結果

吊放系統各設備在設計載荷下的合成應力及強度校核結果見表3，應力云圖見圖9～圖12，局部區域變形結果見圖13。

校核結果顯示，船體加強結構有足夠的強度滿足吊放系統的作業要求。從各區域變形結果看，設備商設計變形不超過5 mm，根據計算結果可知，剛度亦滿足吊放系統的作業要求。

6" " "局部振動分析

根據局部強度校核結果及應力分布可看出，耙頭吊架的加強結構應力最高。一是耙頭吊架載荷較大，二是耙頭吊架常分布在尾部或耙吸挖泥船的中后部，相對中部泥艙區，中后部的剛度相對較弱。而尾部為推進器、主機等船體振動主要激勵源的區域。在考慮耙頭吊架設計時，應保證吊架作業時，船體結構不發生明顯的共振情況，使得作業耙頭的收、放平穩。

采用有限元方法計算耙頭吊架所在區域的尾部主甲板固有頻率。由于吊架及吊架底座自身剛度較大，與船體加強結構不在同一量級，基本不考慮加強結構與吊架發生共振的可能，僅需考核尾部主甲板區域固有頻率與螺旋槳、柴油機之間是否能很好的避開。

依托項目采用雙機雙槳，柴油機額定功率為3000kW，額定轉速750 r/min，螺旋槳采用4葉槳，額定轉速163.64 r/min。固有頻率計算結果見表4，若干剛性較大節點局部振動數據分布示意圖如圖14所示，局部振動一階振形見圖15，以主甲板（垂向振動）、橫艙壁（縱向振動）和縱艙壁（橫向振動）典型結果截圖表述計算結果振動形態。結果表明，尾部主甲板區域的一階固有頻率與額定功率下的柴油機和螺旋槳激振頻率均能錯開，滿足CCS對局部振動評估的標準[7]。

7" " "結論

通過研究耙吸挖泥船吊放系統與船體連接處的受力模式及載荷，設計了船體加強的結構形式，通過分析各設備加強結構區域的強度、剛度和局部振動，可得到以下結論：

1）吊放系統設備較多且分散，各設備的船體加強結構相關性小。但吊放系統是一個整體，各設備需協同作業，即使設備布置分散，作用在船體上的載荷是同步發生的。因此加強結構設計時，雖然各設備分布在船體不同部位，但也要校核整體各區域的剛度和強度，才能保證作業過程中，耙管布放平穩，挖泥過程順利；

2）船體加強結構與吊放設備之間，存在剛度匹配的問題，除了直接與設備底座連接的結構要滿足強度要求和剛度匹配外，設計中應特別注意局部結構的過渡，尤其尺寸較大的結構構件，盡可能將結構構件的高度、厚度平緩過渡至常規船體構件尺寸；

3）由于吊放系統包含吊架等設備，強度校核衡準的選取可參考CCS對甲板吊機加強的要求。本文在分析加強結構強度過程中，采用了動力放大系數確定設計載荷，該動力放大系數可根據實船反饋得到，經合理放大后確定；

4）本文計算了尾部機艙區域吊架加強結構的局部振動固有頻率，結果顯示與船體主要激勵源振動頻率均能錯開，并有足夠的儲備。由此也證明，當吊架加強結構剛度合理的情況下，局部振動問題可不作為該處結構的主要關注點。

以上研究對工程船特殊設備的船體加強區域的結構設計，提供了十分實用的參考設計和校核方法。

參考文獻

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