萬　浩， 陳新權， 楊　啟， 馮永軍， 丁金鴻, 戴一平

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.勞氏船級社(中國)有限公司舟山分公司， 浙江 舟山 316021)

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大型樁定位抓斗挖泥船作業(yè)過程載荷分析

萬浩1， 陳新權1， 楊啟1， 馮永軍1， 丁金鴻1, 戴一平2

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.勞氏船級社(中國)有限公司舟山分公司， 浙江 舟山 316021)

摘要：該文針對樁定位抓斗挖泥船作業(yè)過程中的水動力性能進行了研究，建立了帶駁船抓斗挖泥船的水動力模型，計算了不同作業(yè)狀態(tài)下的船體載荷和三定位樁的受力，并分析了三定位樁受力隨抓斗運動和不同環(huán)境載荷變化的趨勢，為定位樁設計提供了依據(jù)。

關鍵詞：抓斗挖泥船；定位樁；載荷分析；水動力

0引言

抓斗挖泥船是一種應用較為廣泛的挖泥船，主要用于港池、碼頭、堤案等處的挖泥作業(yè)。大型抓斗挖泥船采用定位樁進行船舶定位，挖泥船在作業(yè)過程中受到環(huán)境載荷及作業(yè)載荷的作用，并最終轉移到定位樁上[1]。在作業(yè)過程中，大型抓斗的挖泥與旋轉產(chǎn)生的載荷會對船舶產(chǎn)生較大的影響，進而影響到定位樁上載荷的分配，是定位樁設計與安全作業(yè)的重要因素。

從現(xiàn)有的資料來看，有少數(shù)學者[2-4]針對其他類型的挖泥船的定位樁受力特點進行了計算，但目前尚未有針對大型抓斗挖泥船受力特點的定位樁受力計算模型。

該文針對一200 m3大型抓斗挖泥船，建立了水動力模型，考慮抓斗挖泥和旋轉作業(yè)的工況，計算了不同環(huán)境載荷入射角、波浪周期和波高下的船體載荷，對三定位樁的受力進行了研究，總結了定位樁受力隨不同參數(shù)的變化規(guī)律，為船舶的安全作業(yè)和定位樁設計提供了依據(jù)。

1計算模型

該船配有三根定位樁，其中尾樁一根，首樁兩根，作業(yè)水深30 m。以重心在水面上的投影為坐標原點，X軸以向船艏為正方向，Y軸以向左舷為正方向，Z軸以向上為正方向。船舶主尺度見表1，總布置圖和水動力模型分別如圖1、圖2所示。

表1　船舶主尺度

圖1　200 m3抓斗挖泥船總布置圖

圖2　200 m3抓斗挖泥船作業(yè)狀態(tài)水動力模型

2船舶所受外載荷計算

2.1波浪載荷

該文中波浪載荷的計算基于三維勢流理論，三維勢流理論假設流體為理想流體，速度勢存在且滿足四類邊界條件(自由面條件、海底條件、濕表面條件和無窮遠邊界條件)和拉普拉斯方程。同時假設波浪船體運動均為微幅，則速度勢可用疊加原理分解為入射勢、輻射勢和繞射勢。通過物體濕表面分布源匯的格林函數(shù)法得到物面輻射速度勢和繞射速度勢的積分方程。

求得速度勢后，按Bernoulli公式計算物體濕表面上的壓力，將壓力沿濕表面進行積分得到船體所受流體作用力，從而求解船體運動方程。

船體的運動方程為：

(1)

圖3　200 m3抓斗挖泥船縱向波浪力時歷曲線　　　　　　　　　圖4　200 m3抓斗挖泥船橫向波浪力時歷曲線

2.2風、流載荷

風載荷和流載荷根據(jù)石油公司國際海事論壇(OCIMF)提出的計算公式進行計算[5]，載荷系數(shù)也根據(jù)該文件查得。具體計算公式見式(2)、式(3)。

(2)

式中：FXW、FYW分別為X、Y方向風載荷；MXYW為風載荷轉矩；CXW、CYW和CXYW為相應系數(shù)；ρW為空氣密度；LBP為船舶垂線間長；AT、AL分別為橫截受風面積和舷側受風面積；VW為風速。

(3)

式中：FXC、FYC分別為X、Y方向流載荷；MXYC為流載荷轉矩；CXC、CYC和CXYC為相應系數(shù)；ρC為水流密度；T為平均吃水；VC為流速。

2.3作業(yè)和抬船載荷

在抓斗挖泥船作業(yè)過程中，抓斗的旋轉會對船舶載荷產(chǎn)生很大的影響，主要影響船舶所受到的垂向力、橫搖力矩和縱搖力矩。船舶所受到的作業(yè)載荷按式(4)計算：

(4)

式中：FZZ、MXZ、MYZ分別為船舶受到的作業(yè)載荷引起的垂向力、橫搖力矩、縱搖力矩；GZ為抓斗吊重；l為抓斗臂長度；lzg為抓斗至船舶重心距離；γ為抓斗右旋時抓斗臂與船舶中線夾角，若抓斗左旋則γ值為負數(shù)。

在惡劣環(huán)境條件下，抓斗挖泥船在作業(yè)過程中可將船體抬起一定的高度以減少波浪對船舶作業(yè)的影響，增大定位樁對地壓力，提高作業(yè)穩(wěn)定性。這會使船舶重力與浮力不相等且浮心位置發(fā)生變化，影響船舶所受到的垂向力和縱搖力矩。船舶受到的抬船載荷按式(5)計算：

(5)

式中：FZT、MYT分別為船舶受到的抬船載荷引起的垂向力和縱搖力矩；GT為抬船后樁腿承受的船舶重力；B為抬船后的浮力；lgb為重心與浮心之間的距離，若浮心比重心靠近船首則lgb為負數(shù)。

3定位樁受力計算

在船舶作業(yè)狀態(tài)下，船體所受到的外載荷最終會由三根定位樁承受，因此必須對定位樁所受載荷進行詳細地計算分析，為定位樁的設計提供參考。

在船體所受到的六個方向的力(矩)中，垂向力FZ，橫搖力矩MX和縱搖力矩MY影響定位樁所受的垂向力，縱向力FX、橫向力FY和艏搖力矩MZ影響定位樁所受的水平力即底部彎矩。

圖5是船體受外載荷和樁腿力的受力示意圖，圖中對樁腿進行了編號，尾樁為1號樁，左側首樁為2號樁，右側首樁為3號樁。

圖5　船體受外載荷和樁力示意圖

假定船體與定位樁為剛體，對樁與船舶的作用力在六個方向上進行分解：

(1) 對于縱向力FX，假設三樁對船的作用相同，即有：

(6)

(2) 對于橫向力FY，假設2、3號樁對船的作用力相同，有：

(7)

(3) 對于垂向力FZ，有：

(8)

(4) 對于橫搖彎矩MX，假設船體橫搖軸為船體中線，則有：

(9)

(5) 對于縱搖彎矩MY，假設2、3號樁受力相同，可用下式計算：

(10)

(6) 對于艏搖彎矩MZ，假設三樁對船體的作用力沿Y方向，且2、3號樁受力相同，則有：

(9)

各方程所求得的具體結果見表2，樁上各向所受載荷為每列之和。

表2　三樁對船作用力計算結果

4計算結果分析

4.1計算環(huán)境條件

對不同環(huán)境條件下的作業(yè)工況進行了分析，環(huán)境條件見表3。

4.2定位樁受力計算結果分析

抓斗挖泥船作業(yè)過程中，作業(yè)載荷隨抓斗運動變化，抓斗作業(yè)各階段的時間見表4。

表3　計算環(huán)境條件

表4　抓斗作業(yè)各階段時間

在計算過程中假定抓斗右旋，將不同外載荷的時歷曲線相加并按照表2中的計算方法計算得到三樁對船的作用力，即得到了三樁的受力。此處以波浪周期7 s，波高1.5 m，外載荷入射角180°樁受力結果為例分析三樁受力。

圖6　1號樁垂向力時歷曲線　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7　2號樁垂向力時歷曲線

圖8　3號樁垂向力時歷曲線　　　　　　　　　　　　　　　圖9　1號樁縱向水平力時歷曲線

圖10　1號樁橫向水平力時歷曲線　　　　　　　　　　　　　圖11　2、3號樁縱向水平力時歷曲線

圖12　2、3號樁橫向水平力時歷曲線

通過分析三樁受力的時歷曲線可以發(fā)現(xiàn)，三樁垂向力受抓斗作業(yè)影響很大。在抓斗下放和入水過程中，尾樁垂向力逐漸減小，首樁垂向力逐漸增大，并且在抓斗閉合過程中分別取得負向最大值和正向最大值即最大壓力和最大拔樁力；在抓斗出水和提升過程中，三樁垂向力變化較為平穩(wěn)，此時左側首樁取得最大壓力值；抓斗開始旋轉時，右側首樁垂向力逐漸減小即壓力逐漸增大，并且在抓斗旋轉完畢后取得最大壓力值；卸料時三樁垂向力都會出現(xiàn)一個突變，受力絕對值都會減??；抓斗回旋過程中三樁垂向力變化趨勢與旋轉時相反。

三樁的水平力隨時間變化較為平穩(wěn)，其原因在于樁腿水平力只受環(huán)境載荷影響，與船舶作業(yè)過程無關。橫向水平力和縱向水平力合成之后可得到樁腿所受的總水平力。波浪周期7 s，波高1.5 m環(huán)境條件下的三樁受力最大值見表5。

表5　不同環(huán)境條件下三樁受力最大值

從圖13、圖14中可以看出，尾樁受到的壓力隨環(huán)境載荷入射角增大逐漸增大，兩首樁所受壓力隨環(huán)境載荷入射角增大逐漸減??；尾樁水平力隨環(huán)境載荷入射角增大先增大后減小，在環(huán)境載荷入射角120°時取得最大值，兩首樁水平力隨環(huán)境載荷入射角增大逐漸減小。抬船后，三樁所受的壓力均會增大，水平力均會減小。

圖13　三樁壓力隨環(huán)境載荷入射角變化趨勢　　　　　　　　　　　　圖14　三樁水平力隨環(huán)境載荷入射角變化趨勢

圖15　三樁壓力隨波浪周期變化趨勢　　　　　　　　　　　　圖16　三樁水平力隨波浪周期變化趨勢

在波浪周期6 s～8 s時，隨著波浪周期的增大，首樁壓力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，尾樁壓力先增大后減小。三樁水平力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

圖17　三樁壓力隨波高變化趨勢　　　　　　　　　　　　圖18　三樁水平力隨波高變化趨勢

隨波高的增大，抬船和非抬船狀態(tài)下三樁所受到的壓力和水平力均會增大。

5結論

(1) 考慮大型抓斗挖泥船作業(yè)特點，給出了抓斗挖泥船外載荷計算方法和定位樁受力計算模型。進行了實例計算，為200 m3大型抓斗挖泥船的定位樁設計提供了依據(jù)。

(2) 研究了定位樁受力隨不同環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律，定位樁所受水平力隨環(huán)境載荷入射角變化較大，抓斗挖泥船作業(yè)時應盡量迎浪作業(yè)以確保作業(yè)安全。

(3) 抬船可以使定位樁受到的壓力增大，水平力減小。綜合考慮定位樁的受力極限和抬船高度可以使定位樁的受力趨于合理，進而保障作業(yè)安全。

參考文獻

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[2]季湘嵐.楊啟與陳新權, 三樁定位反鏟挖泥船載荷分析研究[J]. 船海工程, 2015(1): 5-10.

[3]魏虎仁.液壓反鏟挖掘船作業(yè)基本受力計算分析[J]. 船舶, 1996(3):39-44.

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[5]OCIMF. Prediction of wind and current loads onVLCCs[C]. OCIMF 1994,15th Floor 96 Victoria Street London SWIE 5JW, 1994.

Load Analysis of Large pile Positioning Grab Dredger during Operation Process

WAN Hao1， CHEN Xin-quan1， YANG Qi1， FENGYong-jun1，DING Jin-hong1， DAI Yi-ping2

(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240;2.Lioyd's Register(China) Co., Ltd, Zhejiang Zhoushan 316021, China)

Abstract：This paper studies the hydrodynamic performance of pile positioninggrab dredgerduring operation process，and establishes the calculation model of apile positioninggrab dredger with barge. Then we compute the load of dredger and three piles under different conditions and analysis the change regulation of piles' stress asmovement of grab and change of environmental load. It will be a basis ofpile's design.

Keywords：grab dredger; position pile; load analysis; hydrodynamic

中圖分類號:U62

文獻標識碼：A

文章編號：1001-4500(2016)02-0082-08

作者簡介：萬浩(1992-)，男，碩士研究生。

基金項目：大型抓斗式疏浚工程船及抓斗設備設計關鍵技術研究(工信部聯(lián)裝[2012]539號)；高等學校博士學科點專項科研基金新教師類資助課題(20120073120014)。

收稿日期：2015-07-29