水运工程
Port & Waterway EngineeringNo. 8
Aug. 2017
Serial No. 533
绞吸挖泥船抗风能力研究
王国锋
(中交烟台环保疏浚公司，山东烟台264000)
摘要：绞吸式挖泥船在远海施工常常面临恶劣的环境条件，研究利用现场实际情况提高船舶的抗风能力至关重要。以 绞吸式挖泥船“天凯”为研究对象，通过对环境力的分析，包括风、海流、波浪等环境因素，研究船舶在各种环境条件下 受力情况，对船舶锚机建立物理模型进行数值模拟，提出锚机座改进方案，提高了船舶的抗风能力，提出船舶外海抗风方 案，提高了船舶外海施工适应性和安全性。
关键词：绞吸式挖泥船；环境力；数值模拟；抗风能力中图分类号
：U 616
文献标志码
：A
文章编号：1002-4972(2017)08-0024-04
essential that anti-wind capability of the ship will be improved by using the actual situation.Taking the^Tiankai^as a
research object, based on the analysis of environmental forces including wind, sea current and wave, the paper analyzes the forces of the ship under various environmental conditions.The numerical simulation of the ship anchor seat model is carried out. The improvement scheme of the anchor seat is proposed. The anti-wind capability of the ship is improved.The anti-wind scheme of the ship’s offshore sea is proposed, and the adaptability and safety of the ship’s offshore construction are improved.
Keywords: cutter suction dredger; environmental force; numerical simulation; anti-wind capability
随着经济社会的发展及疏浚市场的扩展，人 们不满足于仅仅在沿海进行围海造地，更多地向 远海进行围海造岛，这就要求绞吸挖泥船的施工 场所由沿海转向外海。大型绞吸挖泥船在外海开 阔水域施工时，如何在现场实际情况下提高船舶 的抗风能力、达到船舶躲避台风影响的目的、保 证施工船舶的安全至关重要。
本文以绞吸式挖泥船“天凯”为研究对象， 通过对环境力（包括风、海流、波浪等）的分析， 研究船舶在各种环境条件下的受力情况，对船舶 锚机进行数值模拟，提出锚机座改进方案，提高 了船舶的抗风能力；提出了船舶外海抗风方案，
收稿日期：2017-03-20
作者简介：王国锋（1974—），男，高级工程师，从事疏浚工程施工管理工作
Abstract: Cutter suction dredger often faces with harsh environmental conditions in offshore construction.lt is
WANG Guo-feng
(CCCC TDC Yantai Environmental Protection Dredging Co., Ltd., Yantai 264000, China)
Anti-wind capability of cutter suction dredger
提高了船舶外海施工适应性和安全性。1
天凯船环境力计算
1.1风力[1]
风力作用在船舶水线以上部分。计算公式如下：
(Cs〇A)vw (1)
i
式中：F为风力（N); Cs为形状系数，按计算构件
的形状查表；&为高度系数，按计算构件的面积形 心至水线的垂直距离A查表；A,.为受风构件的正投 影面积(m2); Vw为有效风速(m/s)，计算公式如下：
' =0.613X
vw = 0- 6v 10+0. 4v 1 (2)式中：V10为10 min平均风速（m/s)，可取计算风
第8期王国锋：绞吸挖泥船抗风能力研究• 25 -
级的中值；Vi为1 min平均风速(m/s)，可取1. 2v10。 1.2海流力
按《美国石油协会浮式钻井装置辐射状锚泊 系统分析》
船舶产生平均偏移的力为波浪平均漂移力，按
API RP2P推荐公式确定。
由侧向波浪引起的平均漂移力计算公式：
（API RP2P)推荐的公式进行计算[1]。
Fcy = 72.375V2
(3)
公式：
Fmdy = CmdhB2 LH2
(5)
船形船体侧向海流力：由首向或尾向波浪引起的平均漂移力计算
船形船体首向或尾向海流力：
心=2.89价2
(4)
式中：
式中：心为首向或尾向海流力（N); ^为侧向海 流力（N); ^为包括附属体在内的船体湿表面积
Fmdx = 〇. 13 CmdhB2 LH2s
(6)
(m2); ve为设计流速(m/s)。
1.3波浪力
船舶在波浪作用下引起一个平均偏移，使得
表1
工况载荷
风/级991111111212
流速/( ._1 )
1101111
Cmdy为侧向平均波浪漂移力（N); Fmdx为首
向或尾向平均波浪漂移力（N); B为船宽（m); L为船舶水线长(m); Hs为设计波高（m); Cmdh为 平均波浪漂移系数(N/m5)
只考虑静载荷，不同工况下的环境力计算结 果见表1。
不同工况下环境力计算结果风力
/kN
首尾向87.687.6156.0156.0156.0235.0235.0
海流侧向1231230123123123123
/kN
首尾向4.94.904.94.94.94.9
波浪侧向4412480248436248441
/kN
首尾向5732032573257
环境力侧向9007076029731 1611 2761 469
/kN
首尾向149.5124.515.0193.0217.9272.0296.9
ms
浪高
/m
周期6606666
/s
侧向336336602602602905905
2.01.501.52.01.52.0
2天凯船锚机座受力分析及改进座的三维模型，图1为原锚机座结构，图2为锚 机座改进加强后的结构[3]。锚机座的加强方案: 将纵板上贴焊的翼板切割去，再附上加强板，加 强板与原锚机座充分焊接，焊接后的焊缝高度高 于原锚机座结构中的最小板厚（10 mm)。
2.1锚的系留力
锚的系留力计算公式为：
P = W1 Ha+WHCL1 (7)
式中：尸为锚的系留力（kN); %为锚产生的重力 (kN); W为单位长度锚链产生的重力（kN/m); L1为锚链卧底部分的长度；凡为锚的抓重比; 見为锚链摩擦系数。计算得锚的系留力为200 kN。
根据天凯船规格书，船舶系泊工况为：风力 9级、浪高2 m、周期6 s，此工况下侧向环境力 为900 kN，首尾向环境力为149.5 kN，而计算锚 的系留力为200 kN，能够满足此工况下的船舶抗 风要求。但是外海工况下，需要考虑更为恶劣的 天气情况，所以必须对锚机座进行改进。2.2改进计算
通过有限元软件MSC. PANTRAN[2]建立锚机
图1原锚机座结构
• 26 •水运工程2017 年
由计算结果可得：1)原锚机座按200 kN加载 时，最大应力为190 MPa; 2)锚机座结构加强后， 按350 kN加载时最大应力为115 MPa，按500 kN 加载时最大应力为164 MPa。锚机座结构使用的板 材为CCS-A板，该材料的屈服强度为235 MPa， 许用应力为188 MPa，原锚机座在200 kN载荷下 已经不能满足使用要求，而锚机座结构加强后， 图2
加强后锚机座结构
分别对原锚机座加载200 kN载荷、改进锚机 座加载350 kN载荷和改进锚机座加载500 kN载荷进行计算，结果见图3。
应力/MPa
a)原结构加载200 kN
应力/MPa
11105.09979.
.0 I
91.58
543.6 135.9 13820.3.3.6 |0 ! I
b) 加强结构加载350 kN
应力
/MPa
1164.0 !151432..0 ■120.031.00 -109988..0 !774 ■6..45 丨 143322..78 ! I
110..99
1c)
加强结构加载500 kN
图3
锚机座应力云图在500 kN载荷下依然能够满足使用要求。
3天凯船锚避风技术
3.1船舶侧向受风（钢粧+桥架固定）
建立钢粧模型[4]，水深20 m，人泥深度2 m，
风力12级，浪高1.5 m，波浪周期6 s，钢粧材料 为
DH36,材料屈服强度为355 MPa，船舶侧面迎
风，下放桥架，绞刀人泥，钢粧人泥。计算得到： 船舶在12级风力作用下，侧向所受到的风力为 905 kN，波浪力为248 kN。计算出风力对船舶的 作用点，以绞刀着地端取矩，从而得到钢粧受风 力为492 kN，钢粧受波浪力为137 kN，对钢粧加 约束和载荷进行计算，力学分析模型见图4,计算
结果见图5。
图4
船舶侧向受风力学分析模型（单位：m
)
图5船舶侧向受风计算结果
第8期王国锋：绞吸挖泥船抗风能力研究• 27 •
在船舶受到侧向风载荷以及波浪载荷条件下 (12级风，浪高1. 5 m，周期6 s)，钢粧最大应力 值为152 MPa，小于钢粧材料屈服强度355 MPa， 这种工况为船舶受到侧向风静载荷条件下的计算 结果，不考虑船舶对钢粧的冲击载荷。3.2船舶首尾向受风（钢粧+锚链固定）
建立钢粧模型，水深20 m，人泥深度2 m， 风力12级，浪高1.5 m，波浪周期6 s，钢粧材料 为
DH36,材料屈服强度为355 MPa，船舶首尾向
迎风，桥架收起，钢粧人泥，船舶两侧下横移锚， 计算是到：船舶在12级风力作用下，船舶首尾向 所受到的风力为235 kN，波浪力为32 kN，横移锚 额定拉力500 kN，夹角15°，分两种工况进行计 算，钢粧受到横移锚的作用力通过船体传递给钢 粧，一种为+ 130 kN，一种为-130 kN，对钢粧加 约束和载荷进行计算，力学分析模型见图6,计算 结果见图7。
图6
船舶首尾向受风力学分析模型
在考虑船舶受到船首尾向风载荷条件下，横 移锚拋向船尾且角度为15°时，钢粧最大应力值为 95. 9 MPa;横移锚拋向船首且角度为15°时，钢粧 最大应力值为33. 1 MPa。钢粧最大应力值小于钢 粧材料屈服强度355 MPa，这种工况为钢粧受到首 尾向风静载荷，不考虑船舶对钢粧的冲击载荷。
综上所述，在同样的载荷条件下（12级风， 浪高1. 5 m，周期6 s)，船舶侧向受风时钢粧最大 应力值152 MPa》首尾向受风时钢粧最大应力值 33. 1 MPa，故受首尾向风时船舶更加安全。船舶 避风时，首尾向受风，横移锚拋向船首，钢粧和 桥架一起着地；当风向改变时，桥架升起，利用 横移锚调整船舶受风方向，使船舶始终处于首尾 受风的情况下，避免侧向受风。
本文计算研究“天凯”船最高可抗12级大 风，项目施工现场实际经历了 10级大风，大大节
省了避风的时间和成本，为工程的顺利实施提供 了保障。4
结语1)
计算出不同工况下（风、浪、流）船体
受环境力，明确船体受力状态，为船舶抗风能力 提供理论支持。
2)
对锚机基座加强并进行强度校核，优化
原有结构，提高所受载荷能力，满足船舶抗风 需求。
(下转第44页）
.44 •水运工程2017 年
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(本文编辑郭雪珍）
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