1、毕业设计文献综述 船舶与海洋工程 4000m3 绞吸式挖泥船结构强度设计 我国 水资源丰富 ， 流域面积在上百平方 千米 的河流有 5 万多条 ， 湖泊 900 多个。鉴于近年来我国的江河湖泊普遍淤积 ， 使过水能力下降 ， 每年汛期渲泄不畅 ，致使许多地方形成有水就有险 ， 遇水就成灾的被动局面。由于洪涝灾害时有发生 ，人民生命财产安全受到了很大的威胁 ， 而且国家每年为防洪抢险及灾后安置灾民、重建家园耗用大量资金 ， 严重地制约了国民经济的高速发展。因此增加、更新疏浚设备 ， 加大清淤挖沙力度 ， 提高排洪泄洪的能力已经成为水利战线的一项重要任务。目前 我国在疏浚施工技术方面虽然已经取得了
2、长足的进展 ， 而疏浚装备却非常落后 ， 与大江大河及湖泊治理的繁重任务相比 ， 形成了极大的反差。我国现有的挖泥船约有 65% 已严重老化，远远达不到名义的年清淤能力，急待更新换代 1。 绞吸式挖泥船是目前在疏浚工程中运用较为广泛的一种船舶，她是利用吸水管前端装设的旋转绞刀装置，将河底泥沙进行切割和搅动，在经吸泥管将绞起的泥沙物料，借助强大的泵力，运输到泥沙物料堆积场，它的挖泥、运泥、卸泥等工作过程，可以一次连续完成，它是一种效率高、成本较低的挖泥船，是良好的水下挖掘机械 2。 绞 吸式挖泥船的施工工作原理是挖泥船就位后，采用钢桩定位横挖施工法进行疏浚吹填施工，它是以一根落在挖槽中心线上的主
3、定位桩作为船体旋转中心，依靠横移的作用使绞刀在挖槽宽度内作左右横向往返摆动，使绞刀分层切削开挖断面土层的施工方法。调整左右横移绞车，收放横移缆的快慢与停止，使绞刀移动速度改变及改变绞刀在断面上不同的切削位置。然后通过泥浆泵吸入经排泥管线把泥水混和物输送到指定的吹填区 3。 典型的挖泥船有以下特点： （ 1） 绞吸式挖泥船用途广泛， 可以在江河湖海中作业，用以清淤，航道挖掘，吹填造地。（ 2）绞吸式挖泥船工作 效率高，产量大，泵距远。（ 3）绞吸式挖泥船操作简单，易于控制。（ 4）大型绞吸式挖泥船带有自航系统， 迁移时可以自航到位，中小型挖泥船多为无自航系统，靠拖船拖行。（ 5）绞吸式挖泥船经济
4、性好，相对工程成本较低 4。 绞吸式挖泥船从 1880年首次用于英国以来，经过一个世纪的变迁，已有了很大的变化。它是吸扬式挖泥船中的一种，以离心泵的作用来完成疏浚任务，其特点是挖一运一卸可以一次完成，连续作业，疏浚土范围广泛，不论是淤泥还是高塑粘土均可疏浚，大型的挖泥船甚至可以开挖一些软质岩石 5。自这之后，十九世纪末二十世纪 初，绞吸式挖泥船进入了一个重要的发展阶段。在 1893年的秋季，Bucyrus Steam Shovel and dredged公司制造了一条在密西西比河下游使用的“RAM”号绞吸式挖泥船。在船上已经开始配备有旋转式的绞刀头 6。 20世纪 70年代末 80年代初，中东
5、地区深水港的建设需要开挖大量坚硬的土质和岩石，且疏浚区域大多数在无掩护的海区，因此大中型绞吸式挖泥船在部分发达国家充分发展。其中最具代表性的是自航绞吸式挖泥船 “J.F.J.DENUL”号，它由荷兰 IHC公司研发设计和制造，是当是世界上外形最大和装机 功率最强的 7。挖泥船是航道疏浚与整治、水利工程、防洪抢险、海洋开发及海港建设的主要工具 8。目前由于航道疏浚和围海建厂工程的需求加大，国内设计建造的绞吸式挖泥船为港口建设、海洋开发发挥了巨大作用 9。 随着科学技术的日益提高，以及各种理论的完善，人们对船的强度研究也逐渐成熟。国内外学者对整船分析方面的内容均进行了相关研究，并将其广泛应用到了各
6、类船型的船体结构分析工作中。 Espen H.Cramer， Peter Friis Hansen研究了评估船体结构的长期响应的方法。在确定船舶生命周期内的特定航 区后，通过应用伽马能谱定义波浪谱，采用线性频域分析，根据船舶不同的航速、航行角度和装载状况计算频率响应函数，可以确定其波浪散布图并可以用二维分步拟合出生命周期内的散布图 10。 Svein Erling Heggelund， Torgeir Moan通过对比一条 60m长的双体船的强框架模型分析和整船模型分析，研究双船体横向强度问题。得出了典型的双体滚装船的舱壁结构与周围结构相互作用明显的结论，因此必须要对其进行考虑 11。 鄢慧敏
7、运用有限元软件 ANSYS研究了一艘 45米的双体采砂船的结构强度。选取横弯和扭 矩两种工况，分析了该船的计算载荷以及约束选取，对全船进行了有限元分析，基于 ANSYS软件中的优化方法，对此双体采砂船改型后的门型结构进行优化设计，在满足应力的前提下，优化出门型结构最优的截面尺寸，减轻了结构重量，降低了造船成本，对同类型的双体工程船舶的设计提供可参考的依据 12。 蒋如宏、何炎平、余龙、谭家华对大型绞吸式挖泥船台车系统的设计进行了研究，介绍了大型绞吸式挖泥船台车定位位置的系统原理及组成，并对台车设计中的一些关键数据的选择进行了仿真研究，对台车的结构强度进行了有限元分析。对同类型船舶的设计具 有重
8、要的参考 13 。 目前，国内外针对绞吸式挖泥船各部分受力分析与载荷的研究也逐步的开展起来。如吴漪、杨启、夏利娟对绞吸式挖泥船桥架起吊系统进行了结构强度分析14；冯琦、杨启对绞吸式挖泥船抛锚杆系统进行了强度结构分析 15。潘英杰利用二维切削理论对绞刀的切削过程进行分析，并利用近似方法得到切削力的计算方法。并建立绞刀架臂、耳轴、耳轴支撑结构这一套绞刀架系统的有限元模型，按照绞刀架所处不同工况，考察绞刀架系统产生的响应情况，分析其在外载荷作用下所产生的应力和应变情况。为后续的绞刀架系统的研究提供了理 论指导，也对绞刀架系统的不断更新和改进打下了基础 16 1718。 绞吸式挖泥船是一种工程用的船舶
9、，即有着常规船舶的结构特性，又有着不同于常规船型的结构特点 19，是一种系统复杂、技术含量高的施工设备，其工作时所受外力非常复杂 9，工作过程中主要依靠装在船艏的桥架以及船艉的钢架台车配合来完成挖掘工作 16，因此在工作状态下外载荷主要作用在这两部分结构上，如在工作状态下钢桩与绞刀头会与泥土接触产生作用力，风、浪、流等载荷对船体的作用都会通过传递作用到这两部分结构上去 20。随着工程类船舶的大 型化、综合化、很多结构强度问题也开始出现 21。 船体强度是研究船体结构安全性的科学。 所谓结构安全是指结构能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种载荷和载荷效应，并在偶然事件发生时及发生后，仍能保持
10、必需的整体稳定性 22。由于船舶所受到的外力是十分复杂的。 因此设计人员计算出工况下危险剖面的应力，并将其与需用力进行比较以判定船 体强度问题，使船舶能够在航行中具有足够的强度 23。 参考文献 1孙兆年，杨金叙，于卓伟 .黄河专用型 120m3/h 绞吸式挖泥船的结构原理和设计特点 J.水利电力机械， 2001(10):50-52. 2刘志，周洪，程锦萍 .中国疏浚业现状与发展分析 J.水利经济， 2004（ 3）：7-9. 3涂益敏，吴波，邓飞 .浅谈绞吸式挖泥船在河湖疏浚工程中的应用 J.江西水利科技， 2008（ 9）： 70-71. 4马玉臣 .绞吸式挖泥船的性能及改进建议 J.水运
11、工程， 2004（ 11）： 21、 30. 5刘君 .中小型绞吸式挖泥船（机）发展动态 J.水利电力机械， 1992（ 1）： 37-39. 6刘晓鹏 .绞吸式挖泥船的结构强度评估研究和标准化探究 D.上海：上海交通大学 ,2009： 6. 7张文宜 .绞吸式挖泥船主要载荷分析及计算软件开发 D.上海：上海交通大学，2009： 6. 8董从林，袁成清，陈源华，严新平 .基于层次分析法的挖泥船摩擦学系统分析J.润滑与密封， 2009（ 5）： 90-93. 9张文宜，陈新权，谭家华 .绞吸式挖泥船外力计算软件及应用 J.中国港湾建设，2008（ 6）： 6-9 10 Espen H.Crame
12、r,Peter Friis Hansen.Stochastic modeling of long term wave induced responses of ship structuresJ.Marine Structures.1994(7). 11 Svein Erling Heggelund,Torgeir Moan,Stig Oma.Transverse strength analysis of catamaransJ.Marine Structures.2000(13). 12鄢慧敏 .双体采砂船结构强度计算研究 C.武汉：武汉理工大学， 2009： 1. 13蒋如宏，何炎平，余龙，
13、谭家华 .大型绞吸式挖泥船台车系 统的设计研究 J.船舶工程， 2007（ 3）： 41-43 14吴漪，杨启，夏利娟 .绞吸式挖泥船桥架起吊系统强度设计分析 J.造船技术，2007（ 2）： 29-32. 15冯琦，杨启 .绞吸式挖泥船抛锚杆系统强度设计分析 J.造船技术， 2005（ 5）：30-33. 16潘英杰 .绞吸式挖泥船绞刀架载荷计算和强度分析 D.上海：上海交通大学，2008： 23-29. 17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.南京：河海大学， 2007： 19-23. 18韩明，刘厚恕 .浅谈中国疏浚工业的发展道路 J.船舶， 2002（ 2）： 6-13. 19 张淑杰，王庆 .350m3/h 分体绞吸式挖泥船的船型介绍 J.船海工程， 2002（ 4）： 18-20. 20刘伟力，聂武，冯峰 .挖泥船定位桩设计方法分析与比较 J.哈尔滨工程大学学报， 2002（ 8） :4-7. 21郁杨天，杨启 .大型绞吸式挖泥船门架结构强度分析 J.造船技术， 2009（ 2）：3. 22杜庆喜 .船体结构强度直接计算方法研究 D.武汉：武汉理工大学， 2007： 3. 23谢永和，李俊来 .船舶强度与结构设计 M.舟山：浙江海洋学院， 2010： 1.
