大型耙吸挖泥船結構設計要點

荊海東,楊青,謝昊

(中國船舶及海洋工程設計研究院,上海 200011)

耙吸挖泥船作為一種實現特殊功能的船舶,既是布置型船又是裝載型船,其特殊的船型特點和布置要求對結構設計形成諸多掣肘。即便大型耙吸挖泥船各位置的設計滿足規范描述性要求,但實船運營一定年限后,仍然會有屈服屈曲失效和疲勞裂紋現象。此外,大型耙吸挖泥船振源較多,振動問題突出。以上問題都影響著船舶實際運營。為探討大型挖泥船設計運營中的各種結構設計問題產生的原因,針對大型耙吸挖泥船的設計特點,以某大型耙吸挖泥船為例,結合大型耙吸挖泥船結構設計的工程經驗和教訓,對大型耙吸挖泥船的結構設計要點進行分析。

1 大型耙吸挖泥船結構設計

1.1 全船材料和骨架形式

綜合考慮強度要求、使用要求、投資成本及維修經濟性等,大型耙吸挖泥船主船體主要選用普通強度鋼,對于泥艙段的泥艙甲板、底部結構和泥艙局部結構選用高強度鋼材,其他局部加強部位視設備要求及強度校核情況選用高強度鋼材。隨著耙吸挖泥船的巨型化,主船體全部采用高強鋼的也越來越多,高強鋼的使用降低了船體重量,但對疲勞越來越不利。

大型耙吸挖泥船通常在泥艙區域采用縱骨架式以在滿足總縱強度的前提下盡量控制船體重量,泥艙以外也應盡量采用縱骨架式,使得泥艙縱向構件得以有效延伸。由于線型變化較大,首尾部分根據施工便利性和強度要求可采用橫骨架式。

1.2 波浪載荷和總縱強度

為盡量減少靜水彎矩剪力,節省鋼料重量,耙吸挖泥船往往船寬較大,尺度比L/B<5,不滿足規范L/B>=5的要求。對于按CCS《鋼質海船入級規范》設計的耙吸挖泥船,當尺度比不滿足規范要求時,需采用直接計算方法確定波浪載荷[1]。由于重量分布主要集中于泥艙和其線型肥大的船型特點,直接計算的波浪彎矩通常比規范計算值大30%～40%,直接計算的波浪剪力通常比規范計算值大80%～100%。

耙吸挖泥船的泥艙位于船中約0.5L范圍,由于泥漿密度較大,重量較為集中,船中中垂靜水彎矩和泥艙前后端壁處靜水剪力較大,需重點關注其總縱強度。對于泥艙縱壁間斷處以及骨架型式變化的區域,如機艙底部和舷側外板等區域也應重點關注。

1.3 泥艙結構設計

為保證挖泥作業中裝卸泥的方便,耙吸挖泥船在主甲板或泥艙甲板設置大開口,泥艙底部設有泥門,在強框位置通過架空橫梁連接,泥艙縱橫向結構由于泥門存在較多間斷。

1.3.1 泥艙中剖面設計

泥艙中剖面縱向構件主要根據總體布置情況、所受載荷和結構布置情況等確定。泥艙的總體布置主要是確定主甲板或泥艙甲板、泥艙縱壁、箱型龍骨和邊艙中間平臺等一些主要縱向構件的位置,確定泥門和行走吊基座等主要設備布置,以及依據縱艙壁、甲板和中間平臺等主要構件確定縱骨的布置等[2]。

大型耙吸挖泥船的泥艙大多采用主甲板帶艙口圍板的形式。同時,根據耙吸挖泥船作業條件的不同,也有部分耙吸挖泥船采用全通甲板的設計。全通甲板型深較大,適合深遠海作業,但增加了結構重量,全通甲板在巨型和超巨型耙吸挖泥船應用較多[3]。由于泄泥時泥漿中沙石與泥艙圍壁的摩擦損耗,泥艙區與泥漿接觸一側的船體結構需考慮適當的磨蝕裕量。摩擦較嚴重位置如箱型龍骨,磨蝕余量一般不小于3 mm。

1.3.2 泥艙橫向結構設計

泥艙肋板形式有平板肋板、箱型肋板及箱型和平板組合肋板等形式,見圖1。組合肋板的優點是較少占用泥艙艙容,結構簡單且易于加強,大型耙吸挖泥船一般采用組合肋板形式。

圖1 不同形式肋板型式

泥艙箱型龍骨跨越整個泥艙,雖然縱向連續,但由于跨距較大無法作為組合肋板的有效支撐。泥艙組合肋板的兩側和中部橫壁分別與泥艙邊艙區域的橫向強框架/橫艙壁、箱形龍骨內的橫向強框架對應設置,并與泥艙圍板垂直桁和泥艙甲板架空橫梁連接,形成完整的橫向強框架結構,以承受泥艙區的泥漿載荷、泥門關閉時的油缸載荷等。

1.4 結構重量重心控制

耙吸挖泥船在泥艙滿載的情況下,為防止溢泥需保持平浮,需精確評估和控制結構重量重心。對于大型耙吸挖泥船,可以在沿船長的合適范圍內采用高強度鋼以降低船體重量,同時在后續不同設計階段及時跟蹤控制結構重量,優化板厚及構件配置。

1.5 大型耙吸挖泥船關鍵區域

對于泥艙內結構,組合肋板支撐面積較大,上面傾斜部分與邊艙形成交叉,使得交叉點處應力集中。在靠近泥艙前后端橫艙壁處,橫艙壁剛度較大,約束了箱型龍骨變形及應力釋放,導致應力集中更為顯著。泥艙的關鍵節點包括泥艙橫向肋板過渡區、泥艙前后端壁過渡節點和泥艙甲板橫撐過渡節點。泥艙甲板開孔和其他強力構件間斷或過渡硬點位置也構成關鍵區域。

1.5.1 泥艙橫向肋板過渡區

泥艙橫向肋板過渡區主要包含橫向強力支撐構件間斷或過渡位置,典型關鍵節點見圖2。由于節點4位于泥艙縱壁的端部,是橫向支撐的端部位置,泥艙承受泥壓時需關注泥艙縱壁垂直于板面的撕裂拉應力,若應力較大,建議采用Z型鋼。

圖2 泥艙橫向肋板關鍵區域有限元示意

1.5.2 泥艙前后端壁過渡節點

泥艙前后端壁位置是泥艙箱型龍骨過渡區,箱型龍骨無法向前或向后深入延續至機艙或泵艙。箱型龍骨中斷在泥艙前后端壁位置,箱型龍骨與前后端壁交叉形成硬點,是結構設計需要關注的關鍵節點,典型關鍵節點見圖3。

圖3 泥艙前后端壁關鍵區域有限元示意

1.5.3 泥艙甲板橫撐過渡節點

承受橫向載荷、總縱載荷和扭轉載荷的架空橫梁(見圖4)端部也是設計的關鍵節點。架空橫梁端部設計應采用橢圓或拋物線形式過渡,盡量采用自由邊(不加加強筋或面板)形式以避免疲勞問題。

圖4 泥艙甲板架空橫梁

2 大型耙吸挖泥船強度評估

大型耙吸挖泥船泥艙結構復雜,采用傳統的梁系分析方法無法準確反映關鍵受力結構的應力分布和水平,需要借助有限元分析方法對泥艙整體結構、泥艙關鍵節點結構和其他重點關注部位結構進行直接計算分析,在此基礎上進一步優化泥艙結構形式和全船結構[4]。

2.1 艙段有限元評估

對于耙吸挖泥船的艙段有限元計算,常規耙吸挖泥船設計時往往僅關注泥艙區的結構,有限元模型也僅包含泥艙區域(見圖5),而忽略泥艙前后端壁處過渡結構的結構評估。實際上,對于大型耙吸挖泥船,泥艙前后端壁處剪力較大,彎矩下降不大,同時前后端壁處于結構形式變化的位置,強度評估尤為關鍵。因此,泥艙強度校核往往不能僅包含泥艙結構,還應包含機艙和泵艙等(見圖6)以對泥艙前后端壁處關鍵結構進行校核。

圖5 常規泥艙有限元計算

圖6 三艙段有限元計算

有限元計算時泥漿密度應考慮所有工況最大的泥漿密度,通常為超載工況下的泥漿密度。泥艙艙段有限元典型工況(迎浪工況)的壓力見圖7,8,典型應力云圖見圖9。

圖7 迎浪工況外板水壓力(靜水+波浪)-中垂工況

圖8 迎浪工況泥艙泥漿壓力(動+靜)-中垂工況

圖9 泥艙艙段有限元應力云圖

2.2 細化節點有限元評估

由于艙段有限元無法模擬泥艙局部節點細節,除需通過粗網格篩選危險區域外,還需對設計關鍵區域進行細網格計算。設計關鍵區除需包含本文1.5節中的關鍵節點外,對于泥艙甲板開孔和其他強力構件間斷或過渡硬點位置,若粗網格中應力水平較高(UC超過0.9),也需進行細化評估。

1.5節中關鍵節點通常為泥艙典型結構,可選擇艙段有限元應力水平最高的位置進行細化評估。典型關鍵細化節點應力見表1,對照CCS相關規范要求,相關屈服強度滿足規范要求。

3 大型耙吸挖泥船疲勞評估

隨著耙吸挖泥船的大型化,泥艙結構疲勞問題更加突出,耙吸挖泥船的典型應力時間歷程見圖10。

圖10 裝卸載工況的應力時間歷程示意

3.1 高周疲勞分析

高周疲勞由波浪載荷和船體運動引起的。2.2節中DET.1～DET.4為橫向構件,船體梁波浪彎矩對應力影響較小,波浪引起的波動壓力/波浪附加彎矩和加速度導致的應力循環范圍較小。因此,對于DET.1～DET.4,波浪引起的船體梁疲勞損傷通常可忽略。

3.2 低周疲勞分析

耙吸挖泥船由于其作業的特殊性,裝泥泄泥頻繁。事實上,根據挖泥船的實際調研數據顯示,在工程作業期間,挖泥船的作業頻率相當頻繁,考慮每天裝卸泥4次,每月25 d,則生命期內總的循環次數為(4次/d)×(25d/月)×12月×20年=24 000次,遠超其他常規船舶的裝卸載次數。若采用CCS D(CP)曲線,許用熱點疲勞應力循環范圍約為255 MPa,對應力水平要求很高,結構需保持在較低應力水平才能保證疲勞強度。

3.3 關鍵節點疲勞匯總

1.5節各節點的疲勞損傷匯總見表2。

表2 疲勞損傷匯總(某大型耙吸挖泥船疲勞節點)

由表2可知,低周疲勞損傷遠大于高周疲勞損傷。同時,總疲勞損傷已經接近規范的許用值,余量較小,設計時可采用節點打磨等手段進一步提高疲勞壽命,避免疲勞破壞。

4 大型耙吸挖泥船振動評估

大型耙吸挖泥船船載大功率設備眾多,推進主機、螺旋槳和泥泵等都是主要的振動源。隨著運營方和勞工公約對船舶舒適性要求越來越高,需要對其進行避振設計,方案階段可采用母型船數據變換和遷移矩陣法等簡單算法對于船體總振動進行評估,使其固有頻率避開主要激勵源[5-7]。生活樓和局部板架應采用經驗公式或有限元方法進行評估,優化設計避開設備激勵頻率,保留足夠頻率儲備,避免有害振動。

4.1 船體總振動評估

某大型耙吸挖泥船采用有限元和遷移矩陣法計算得到的船體總體振型和固有頻率見圖11、表3。

圖11 某大型耙吸挖泥船總體振型

由表3可知,大型耙吸挖泥船船體梁的前2階固有頻率通常較低,一般小于3 Hz,大型耙吸挖泥船葉頻通常在7～10 Hz之間,前2階船體梁固有頻率可避開葉頻。大型耙吸挖泥船的軸頻(約2 Hz)與船體固有頻率較為接近,初始船型尺度確定時,可考慮盡量避開軸頻10%～15%。由于軸頻激勵大小主要與槳葉制造質量有關,若設計無法避開軸頻,需提高槳葉制造質量要求。

4.2 生活樓振動評估

生活樓是關系到耙吸挖泥船舒適性的關鍵位置,生活樓的設計在方案選擇階段就需要避開船舶主要激勵[5]。耙吸挖泥船生活樓1階固有頻率(縱向、橫向、扭轉)一般小于10 Hz,與葉頻較為接近。此外,由于耙吸挖泥船的特殊布置特點,生活樓下方往往無法設置支柱或橫縱艙壁,生活樓前幾階模態可能會出現混淆,設計時需特別關注以避開葉頻。

5 結論

1)大型耙吸挖泥船一般采用縱骨架式,泥艙采用主甲板帶艙口圍板和組合肋板的形式。

2)大型耙吸挖泥船的關鍵節點包含泥艙橫向肋板過渡區,泥艙前后端壁過渡節點和泥艙甲板架空橫梁等位置,設計時應保留足夠的余量,采用軟趾形式,避免硬點。

3)大型耙吸挖泥船泥艙艙段有限元模型范圍應包含泥艙前后的機艙和電機艙等艙室以保證能校核泥艙前后端壁的關鍵區域,對于關鍵位置和應力集中位置,需要采用細化網格的方法進行計算。

4)大型耙吸挖泥船作業裝泄泥頻繁,低周疲勞在大型耙吸挖泥船的節點疲勞中占據主控地位,結構設計需校核關鍵節點的低周疲勞累計損傷,避免疲勞破壞。

5)大型耙吸挖泥船的總體振型通常可避開葉頻,但生活樓固有頻率與葉頻較為接近,設計初始階段應盡早評估生活樓固有頻率,以避開葉頻。