潘甜
摘要：砂石作为建筑工程中的基础材料，是混凝土的底子质料。由于砂石需求量极大，采集砂石的船舶数量也剧增，砂石船的结构复杂，应力分布不确定性较大，因此对挖砂船的强度校核十分必要。本文以36.5米链斗式挖砂船为研究对象，采用MSC.Patran&Nastran软件，对船体全船结构进行建模，计算分析及评估。对同类型的挖砂船强度评估具有一定的参考。关键词：挖砂船;直接计算;结构强度;有限元
中图分类号：U66文献标识码：A文章编号：1006—7973（2022）05-0108-03
1引言
砂石是自然界中丰富的自然资源，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，可做消防存储装备。砂石还是我国质优价廉的建筑材料之一[1]，近些年来，随着各种工程建设的发展，我国砂石需求持续不断增长。挖砂产业的发展，在节约能源及材料的同时，使得经济效益和社会效益得到了显著的提升。
砂石的采集与运输都需要使用特定船舶——挖砂船，挖砂船的种类主要有抓斗式挖砂船、绞吸式挖砂船、链斗式挖砂船。链斗式挖砂船是驱动斗桥循环运转，使得多个斗循环连续挖砂。绞吸式挖砂船采用铰刀切碎河砂由离心泵吸入进行作业。抓斗式挖砂船采用旋转式抓斗机进行作业。挖砂船不仅可以作为挖砂的工具，还可以对河道进行淤泥及垃圾清理，为环境作出重要贡献。
由于挖砂船特殊的结构形式，缺乏相应的规范，给设计人员带来诸多不便。国内也有很多学者对挖砂船的计算及设计进行了专门的研究。
杨凯[2]对链斗式挖砂船结构强度进行了分析及优化，链斗式挖砂船由于工作运转连续及联合作用的外部风浪力会导致船体结构应力集中，有时会超出结构强度的应力限值，因此需要对挖砂船进行强度校核，尤其是工作状态时，确定应力集中区域及最大变形位置，并在不满足要求的情况下对其优化。
覃达斌[3]研究了珠江上游水域挖砂船结构强度直接计算，计算结果表明直接计算结构强度相比于比总纵强度计算，安全余量更为大一些，对结构考虑上，有限元直接计算相对更全面。
本文以36.5米链斗式挖砂船为研究对象，采用MSC.Patran&Nastran软件，对船体全船结构进行建模，计算分析及评估。
2有限元模型计算
2.1有限元模型建立
36.5米挖砂船主尺度为：总长37.6m，假艉长1.1m，水线长36.5m，型宽8m，型深1.4m，吃水0.8m，肋距0.55m，载货量15t，航区为B级航区。36.5米挖砂船总布置图见图1所示。典型横剖面结构图见图2。
根据《钢质内河船舶建造规范》（2016）开槽式工程船结构直接计算要求，采用三维有限元模型，本船为左右对称结构，模型范围为整船;横向为整个船宽，各船体构件采用壳单元和梁单元进行模拟。本模型坐标系系统采用右手坐标系，见图3所示，原点位于0#中纵剖面船底处，x轴向船首为正方向，y轴向左舷为正方向，z轴向上为正方向。模型如图4所示。张少雄[4]研究了船体结构强度直接计算中应用惯性释放，结果证明是可行的，且能更合理的评估结构强度，本文边界条件亦是采用惯性释放法。
2.2计算工况及载荷
对本船强度进行直接计算时，按下表1工况进行。按照细砂舱舱空载无泥（中垂、中拱），细砂舱满载（中垂、中拱）进行计算。
载荷主要包括舷外水压力和泥砂总重量。泥砂总重量为15t，均匀分布在细砂池内。舷外水压力为等效设计余弦波，波长取船长，其波高为he按下式取值：
h=1.5k
式中：k—系数，k=-0.0018B+0.021B+1.082，取不大于1.0且不小于0.333;B—船宽，m。
3分析结果汇总
图4给出了该艘挖砂船无泥中拱状态下的相当应力，甲板、舷侧板、船底板最大应力值为24.0MPa，最大应力位置在船首底部，并呈集中式，船中是第二大应力较大范围。龙骨及船底纵桁的最大应力在靠近船艉，最大应力为63.1MPa，并据此向船首方向两个肋位距离应力也教周围范围变大。横舱壁最大应力为19.5MPa，靠近船艉端。强横梁、强肋骨、实肋板最大应力也在靠近船尾处。图5给出了该艘挖砂船有泥中拱状态下的相当应力，有泥状态对船舶结构受力趋势影响较小，一定程度上会导致所有构件应力的增加。
图6给出了该艘挖砂船无泥中垂状态下的相当应力中垂状态下的相当应力，甲板、船底板、舷侧板最大应力为27.3MPa，最大应力位置在船尾甲板位置，呈集中式，小范围过渡。船首是第二大应力较大范围。龙骨及船底纵桁最大应力为48.9MPa，在船中位置。横舱壁最大应力为14.7MPa，在靠近槽口的未开槽横舱壁底部。强横梁、强肋骨的最大应力在船中部。图7给出了该艘挖砂船有泥中拱状态下的相当应力。有泥状态对船舶结构受力趋势影响较小，但会一定程度上减小各构件的应力。
根据《钢质内河船舶建造规范2018》结构强度直接计算规定的许用应力标准，各构件的应力汇总见表2。各构件计算的等效应力、船长方向应力和剪应力均小于许用应力。表明各构件满足规范要求。
4结论及建议
（1）由表2可得，本文的36.5米挖砂船船体局部强度满足规范要求。
（2）从36.5米挖砂船结构及船体有限元应力分析结果中可得：根据应力分布，设计时应注意的应力较大位置有：船首船底板与船尾甲板处;横舱壁靠近槽口处未开槽船中底部;甲板纵桁、龙骨及船底纵桁船中部。
（3）计算分析的过程表明，准确的模型建立、合理的网格划分、科学的载荷模拟及正确的边界条件约束是有限元计算的保证。
参考文献：
[1]魏健斌.强化源头综合治理根治运砂船超载安全隐患[J].武汉交通职业学院学报，2013，15（03）：14-17.
[2]杨凯.链斗式挖泥船结构强度分析及优化[D].大连理工大学，2018.
[3]覃达斌.珠江上游水域挖砂船结构强度直接计算研究[D].武汉理工大学，2013.
[4]张少雄，杨永谦.船体结构强度直接计算中惯性释放的应用[J].中国舰船研究，2006（01）：58-61.
[5]中国船级社.钢质内河船舶建造规范[M].北京人民交通出版社，2009.
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