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铺排船上的铺排系统与有限元分析

发布于:2018-05-15 20:28
有限元分析

      铺排船是为满足长江及沿海航道对软质基础(沙质等)河床构筑物进行整治时的工程需要而建造的工程船。铺排作业时,通过其铺排系统,将特制的连锁块软体排平整连续地铺设在河床上。铺排作业时要求其能够适应水域的水流、气候变化。铺排船的船体结构一般为驳船,但是需要有精确的锚泊定位能力,以便铺排作业能够满足区域精度要求。此外,船上滑板的起降控制系统、锚泊绞车同步系统等自动化要求较高。本研究将应用有限元分析AppFEMAP,分别对铺排系统中的滑板、吊架、卷筒、船体结构加强等进行强度分析和探讨。
      铺排系统的主要流程包括以下几项。首先,铺排船到达指定工作区域以后,由克令吊将连锁块软体排(以下简称:“连锁排”)从运输轮上吊至铺排船主甲板,再通过主卷筒自身动力转动裹起连锁排;然后由人工将连锁排从主卷筒拉出经过副卷筒后到达滑板(此时滑板水平放置),接着由绞车控制滑板缓慢放下,连锁排通过自身重力及锚泊系统的移船拉力到达河床,在水下达成铺设。需要注意的是,主卷筒是有动力控制转动的,而副卷筒仅仅是为了分担主卷筒的拉力,固定不转。在工作过程中主卷筒需要通过动力控制连锁排的下落速度,配合船体移动速度才能达到最佳的铺设效果。滑板的起降系统由首尾两台绞车通过吊架控制,系统中仅由一根钢丝绳贯穿吊架、滑板再与首尾绞车相连,这样可以使滑板首尾的起吊速度尽可能相同。滑板在达到最大下放角度时,会通过滑板下方的撑杆撑住主船体,由于撑杆的存在,钢丝绳不再受力。在动态水域的铺排作业中,滑板系统是一个静态的过程,这样既保证了铺排的精确性,又使得作业过程安全平稳。铺排系统组成如图所示。
      连锁排是通过自身重力下水而达到铺排目的,因此受力分析首先应确定滑板与水平面的夹角的数值,使连锁排能够依靠自身重力下水,如图所示。图中,G,为滑板上铺满连锁排的重力;Gz为甲板上连锁排的重力;F浮力为水线下的连锁排受到浮力;F水流为水线以下连锁排受到水流压力;f1为滑板上连锁排受到的摩擦力;f2为甲板上连锁排受到的摩擦力;f3为卷筒对连锁排的摩擦力,临界状态连锁排对副卷筒没有正压力。P为水密度,V为流速,A为流向垂直面上的投影,协为连锁排与普通钢的摩擦系数。算出e的最小值以后,取一个相对较大的角度不能超过45°,以免无法拉起滑卯,再代回原来的计算公式验证。角度确定之后,便可以决定整个吊架系统的实行方案,设计撑杆的长度及与主船体的连接细节。所以,下滑角度是本设计的基础。
      滑板自由端受到水下连锁排的拉力,这是所有铺排系统有限元分析的唯一条件力。因此,在分析此处受力时,选择下述两种相对恶劣工况。水流方向与铺排方向一致,连锁排在下落的过程中,还未达到河床,此时由于水流冲击,连锁排与竖直方向产生平衡角e。C2水流方向与铺排方向一致,连锁排已经在河床上形成连续的正常铺设,此时由于水流冲击,连锁排在水下形成近似悬链线,端部切角为e2。在C1工况中,利用水下连锁排重力、浮力与水流力的平衡可以算出连锁排沿e,角对滑板自由端的拉力。在(力工况中,由连锁排的拉伸率与水流力可以算出悬链线的端部夹角e2,然后通过利用悬链线理论,代入数据得出连锁排沿切角e2对滑板自由端的拉力。最后,在通过比较工况,选取产生最大力矩的工况。需要说明的是,由于水下工况通常比静态分析要复杂许多,在计算最后取值时,需要保留足够的余度。因此作为设计方,应当尽量提供以上两种计算结果及安全系数选择方案,由船东定下最恶劣的受力大小,以便以后的结构强度分析都能基于此受力进行计算。


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