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[摘 要]本文基于有限元分析软件femap，建立了小型绞吸式挖泥船三维有限元模型，介绍了该挖泥船有限元分析的基本方法。通过计算得到了船舶在水压力和锚链拉力联合作用下的整体和局部应力分布状态，提出了相应的改进方案，得到了满足规范要求的结果。为小型绞吸式挖泥船的设计建造提供参考。
[关键词]挖泥船；有限元；femap；桥架；绞刀头
中图分类号：U663.2；U663.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）28-0033-01
0引言
绞吸式挖泥船是疏浚工程中应用较广泛的工程船舶之一，有大、中、小三种类型。其在江，河，湖泊的航道疏浚，海港与航道建设以及国防建设等工程中发挥着重要作用。该船型的产生既是疏浚市场的需要， 同时又是拓展疏浚业务的动力[1]。近年来，随着经济的发展及水路运输需求的增加，国内外对港口与航道建设中不可或缺的大型挖泥船进行了深入研究，并取得了长足进步，尤其是我国在大型绞吸式挖泥船的设计与建造方面已处于国际领先地位。但这种功能强大的大型工程船在面对水域范围狭小、抛锚范围严重受限的江河湖泊等水域时又显得力不从心，难以施展其巨大的工程效率。而我国目前对小型绞吸式挖泥船的研究也相对较少，对采用全电力作业的小型绞吸式挖泥船的研究更少。
为能给水域范围狭小的江河湖泊在航道疏浚作业时提供高效作业的工程船舶，对小型绞吸式挖泥船进行深入研究就显得具有十分重要的现实意义。本文主要是针对设计的全电力作业的小型绞吸式挖泥船的结构强度模块进行分析和探讨，旨在为小型挖泥船的设计建造提供参考。
1 小型绞吸式挖泥船的现状与设计概述
1.1 小型绞吸式挖泥船现状
小型挖泥船的研究文献相对较少，国内唐丰等对中小型耙吸挖泥船结构设计作了相关探讨，提出了设计中需要特殊注意的问题[2]。陈成等分析了IHC公司近20年来中小型耙吸挖泥船船型数据，从主尺度、线型、动力布置等方面分析其发展趋势，为新式中小型挖泥船的设计供参考[3]。在载荷计算方面，潘英杰等对绞吸式挖泥船绞刀架载荷进行了计算[4]。张德新等基于二维切削理论对绞刀切削载荷进行计算及绞刀应力状态的ANSYS分析[5]。吴漪等对绞吸式挖泥船桥架起吊系统进行强度设计分析[6]。冯琦等对绞吸式挖泥船抛锚杆系统做强度设计分析[7]。刘晓鹏等对大型挖泥船桥架结构的强度和振动进行了分析[8]。蒋如宏等对大型绞吸式挖泥船台车系统的设计进行了研究[9]。为绞吸式挖泥船的建造奠定了理论基础。
1.2 小型全电力绞吸式挖泥船设计概述
同大型绞吸式挖泥船相比，小型挖泥船的设计并非简单的比例缩放，存在设备布置困难，作业场地对船舶尺度限制，浮性与稳性制约等诸多问题。在设计上桥架采用桁架结构而非传统的管筒结构，耳轴布置在甲板上。因此本船的设计综合考虑了以上几个因素，在此基础上确定了船舶的主尺度和总布置。
2有限元计算
2.1计算模型
有限元模型主要包括船体、桥架、支座、门架、轴以及钢丝绳等结构，除船体，支座及桥架上板结构等采用板单元模拟，其他均采用刚性杆单元模拟。对于甲板设备，全部建三维模型工作量较大，也没有必要，因此将其简化为质量单元。本船船体采用铝合金材料，桥架门架采用普通钢。根据设计图纸，在femap软件中将其建成。
其中：坐标系采用右手坐标系，x轴沿纵向，以船首为正方向；y轴沿横向，以左舷为正方向；z轴沿型深方向，向上为正方向。
2.2载荷计算
本挖泥船存在三种典型工况即：桥架水平悬吊，1米挖深和2米挖深。分别对三种工况下船体，桥架，门架，耳轴等重要结构进行强度校核。其中绞吸式挖泥船载荷主要包括两部分，即船体载荷和桥架载荷。船体载荷主要包括自重，水压力和甲板设备自重，桥架载荷主要包括自重，绞刀头载荷和横移拉力。现分别计算如下：
结构自重由程序自动计入，取重力加速度g=9.81N/kg。
2.2.1船体载荷分析
船体受力存在两种情况，一种为无风浪条件下舷外水呈对称分布，另一种为有风浪作用舷外水为非对称分布，文中取右舷为迎风侧，这种条件下风浪和抛锚绳拉力联合作用对结构影响最为显著。甲板最大许用载荷取0.5m的计算水头，按均布载荷施加于甲板平面。
2.2.2桥架受力分析
绞刀头载荷分析
绞吸式挖泥船在工作过程中，绞刀头所受的切削力可以分解为三个方向的力：轴向力，水平方向的力，垂直于轴向及水平方向的力。
其中。为绞刀扭矩，为绞刀头半径，为绞刀头传动轴的输出功率，N=40rpm为绞刀头转速。经计算得：，
2.3约束
船舶在施工前存在桥架水平悬吊和桥架触底两种状态，两种状态下船体相对于水均属于静止状态，开始工作的瞬间等同于桥架受力，船体静止，因此选择在船底四个角节点施加3个方向的线位移约束。
2.4计算结果
通过软件计算，得到各种工况下结构的应力和应变云图。从计算结果来看，船体框架在对称工况下应力与应变云图呈对称分布，最大应力与应变出现在船底部，主要是由于静水压力作用。非对称工况时应力主要分布在右侧，主要因为右侧受到施加波浪力的作用。桥架在2米挖深工况时应力最大，最大部位是横移滑轮后部的横架上，主要由于横移拉力作用。门架支座主要起支撑作用，2米挖深时应力最大。本文中仅列举最大应力工况云图，通过表格列举计算结果。
3结语
通过有限元方法对小型绞吸式挖泥船整体结构进行强度分析，可以得到以下结论：
1小型绞吸式挖泥船采用桁架式桥架结构不仅可以简化建造工艺同时满足强度要求，为小型挖泥船桥架建造提供技术参考。
2通过计算可以看到桥架与船体连接处较其他部位应力集中，在挖泥船设计过程中此处应特别关注。
3各结构应力分布比较合理，满足强度要求。对于船体，应力余量较大，存在进一步优化的空间。
参考文献
[1]何炎平，谭家华.大型自航绞吸式挖泥船的发展和有关问题的思考[J]. 中外船舶科技，2008.2
[2]唐丰，汪战军. 中小型耙吸挖泥船结构设计若干问题探讨[J]. 船舶，2007.8
[3]陈成，刘亚东. 中小型耙吸挖泥船船型的发展趋势[J]. 船舶工程，2010.2
[4]潘英杰.绞吸式挖泥船绞刀架载荷计算[D]. 上海交通大學.2008.1
[5]张德新. 基于二维切削理论的绞刀切削载荷计算及绞刀应力状态的ANSYS分析[D]. 河海大学. 2007.4
作者简介
祝传正（1992—），男，硕士研究生，船海工程结构物设计.
肖晔（1978—），男，研究员.
操安喜（1976—），男，上海海事大学讲师，船海工程结构物设计与疲劳检测.
伍生春（1963—），男，上海海事大学副教授，载运工具.
基金项目：绞吸挖泥船智能疏浚系统研究
[关键词]挖泥船；有限元；femap；桥架；绞刀头
中图分类号：U663.2；U663.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）28-0033-01
0引言
绞吸式挖泥船是疏浚工程中应用较广泛的工程船舶之一，有大、中、小三种类型。其在江，河，湖泊的航道疏浚，海港与航道建设以及国防建设等工程中发挥着重要作用。该船型的产生既是疏浚市场的需要， 同时又是拓展疏浚业务的动力[1]。近年来，随着经济的发展及水路运输需求的增加，国内外对港口与航道建设中不可或缺的大型挖泥船进行了深入研究，并取得了长足进步，尤其是我国在大型绞吸式挖泥船的设计与建造方面已处于国际领先地位。但这种功能强大的大型工程船在面对水域范围狭小、抛锚范围严重受限的江河湖泊等水域时又显得力不从心，难以施展其巨大的工程效率。而我国目前对小型绞吸式挖泥船的研究也相对较少，对采用全电力作业的小型绞吸式挖泥船的研究更少。
为能给水域范围狭小的江河湖泊在航道疏浚作业时提供高效作业的工程船舶，对小型绞吸式挖泥船进行深入研究就显得具有十分重要的现实意义。本文主要是针对设计的全电力作业的小型绞吸式挖泥船的结构强度模块进行分析和探讨，旨在为小型挖泥船的设计建造提供参考。
1 小型绞吸式挖泥船的现状与设计概述
1.1 小型绞吸式挖泥船现状
小型挖泥船的研究文献相对较少，国内唐丰等对中小型耙吸挖泥船结构设计作了相关探讨，提出了设计中需要特殊注意的问题[2]。陈成等分析了IHC公司近20年来中小型耙吸挖泥船船型数据，从主尺度、线型、动力布置等方面分析其发展趋势，为新式中小型挖泥船的设计供参考[3]。在载荷计算方面，潘英杰等对绞吸式挖泥船绞刀架载荷进行了计算[4]。张德新等基于二维切削理论对绞刀切削载荷进行计算及绞刀应力状态的ANSYS分析[5]。吴漪等对绞吸式挖泥船桥架起吊系统进行强度设计分析[6]。冯琦等对绞吸式挖泥船抛锚杆系统做强度设计分析[7]。刘晓鹏等对大型挖泥船桥架结构的强度和振动进行了分析[8]。蒋如宏等对大型绞吸式挖泥船台车系统的设计进行了研究[9]。为绞吸式挖泥船的建造奠定了理论基础。
1.2 小型全电力绞吸式挖泥船设计概述
同大型绞吸式挖泥船相比，小型挖泥船的设计并非简单的比例缩放，存在设备布置困难，作业场地对船舶尺度限制，浮性与稳性制约等诸多问题。在设计上桥架采用桁架结构而非传统的管筒结构，耳轴布置在甲板上。因此本船的设计综合考虑了以上几个因素，在此基础上确定了船舶的主尺度和总布置。
2有限元计算
2.1计算模型
有限元模型主要包括船体、桥架、支座、门架、轴以及钢丝绳等结构，除船体，支座及桥架上板结构等采用板单元模拟，其他均采用刚性杆单元模拟。对于甲板设备，全部建三维模型工作量较大，也没有必要，因此将其简化为质量单元。本船船体采用铝合金材料，桥架门架采用普通钢。根据设计图纸，在femap软件中将其建成。
其中：坐标系采用右手坐标系，x轴沿纵向，以船首为正方向；y轴沿横向，以左舷为正方向；z轴沿型深方向，向上为正方向。
2.2载荷计算
本挖泥船存在三种典型工况即：桥架水平悬吊，1米挖深和2米挖深。分别对三种工况下船体，桥架，门架，耳轴等重要结构进行强度校核。其中绞吸式挖泥船载荷主要包括两部分，即船体载荷和桥架载荷。船体载荷主要包括自重，水压力和甲板设备自重，桥架载荷主要包括自重，绞刀头载荷和横移拉力。现分别计算如下：
结构自重由程序自动计入，取重力加速度g=9.81N/kg。
2.2.1船体载荷分析
船体受力存在两种情况，一种为无风浪条件下舷外水呈对称分布，另一种为有风浪作用舷外水为非对称分布，文中取右舷为迎风侧，这种条件下风浪和抛锚绳拉力联合作用对结构影响最为显著。甲板最大许用载荷取0.5m的计算水头，按均布载荷施加于甲板平面。
2.2.2桥架受力分析
绞刀头载荷分析
绞吸式挖泥船在工作过程中，绞刀头所受的切削力可以分解为三个方向的力：轴向力，水平方向的力，垂直于轴向及水平方向的力。
其中。为绞刀扭矩，为绞刀头半径，为绞刀头传动轴的输出功率，N=40rpm为绞刀头转速。经计算得：，
2.3约束
船舶在施工前存在桥架水平悬吊和桥架触底两种状态，两种状态下船体相对于水均属于静止状态，开始工作的瞬间等同于桥架受力，船体静止，因此选择在船底四个角节点施加3个方向的线位移约束。
2.4计算结果
通过软件计算，得到各种工况下结构的应力和应变云图。从计算结果来看，船体框架在对称工况下应力与应变云图呈对称分布，最大应力与应变出现在船底部，主要是由于静水压力作用。非对称工况时应力主要分布在右侧，主要因为右侧受到施加波浪力的作用。桥架在2米挖深工况时应力最大，最大部位是横移滑轮后部的横架上，主要由于横移拉力作用。门架支座主要起支撑作用，2米挖深时应力最大。本文中仅列举最大应力工况云图，通过表格列举计算结果。
3结语
通过有限元方法对小型绞吸式挖泥船整体结构进行强度分析，可以得到以下结论：
1小型绞吸式挖泥船采用桁架式桥架结构不仅可以简化建造工艺同时满足强度要求，为小型挖泥船桥架建造提供技术参考。
2通过计算可以看到桥架与船体连接处较其他部位应力集中，在挖泥船设计过程中此处应特别关注。
3各结构应力分布比较合理，满足强度要求。对于船体，应力余量较大，存在进一步优化的空间。
参考文献
[1]何炎平，谭家华.大型自航绞吸式挖泥船的发展和有关问题的思考[J]. 中外船舶科技，2008.2
[2]唐丰，汪战军. 中小型耙吸挖泥船结构设计若干问题探讨[J]. 船舶，2007.8
[3]陈成，刘亚东. 中小型耙吸挖泥船船型的发展趋势[J]. 船舶工程，2010.2
[4]潘英杰.绞吸式挖泥船绞刀架载荷计算[D]. 上海交通大學.2008.1
[5]张德新. 基于二维切削理论的绞刀切削载荷计算及绞刀应力状态的ANSYS分析[D]. 河海大学. 2007.4
作者简介
祝传正（1992—），男，硕士研究生，船海工程结构物设计.
肖晔（1978—），男，研究员.
操安喜（1976—），男，上海海事大学讲师，船海工程结构物设计与疲劳检测.
伍生春（1963—），男，上海海事大学副教授，载运工具.
基金项目：绞吸挖泥船智能疏浚系统研究