一、背景

隨著“大海外”戰(zhàn)略的發(fā)展，公司越來越多的挖泥船到海外進行施工。海外施工環(huán)境惡劣，特別是風浪較大的時候，對挖泥船施工影響較大，嚴重時會造成安全事故。2011年天驊船在緬甸施工時，由于涌浪較大，導致船體對鋼樁頻繁撞擊，使得鋼樁在銷子眼處出現(xiàn)裂紋（如圖1），因此有必要研究波浪對絞吸船施工的影響。

圖1 鋼樁裂紋

二、分析工具

本次分析采用常用的波浪力分析軟件AQWA進行分析，模擬船體在不同波浪情況下的運動狀態(tài)及受力情況。AQWA是一套集成模塊，主要用于滿足各種結(jié)構(gòu)流體動力學特性評估相關(guān)分析需求，包括從桅、桁到FPSOs，從停泊系統(tǒng)到救生系統(tǒng)，從TLPs到半潛水系統(tǒng)，從漁船到大型船舶以及結(jié)構(gòu)交互作用。該軟件相對成熟，在計算波浪力方面具有優(yōu)勢，因此采用該軟件進行不同工況下的運動分析。

三、分析步驟

1、建立模型

根據(jù)船舶的實際尺寸，建立船體和鋼樁三維模型。為計算方便，對模型進行簡化，去掉對模擬影響不大的結(jié)構(gòu)，建立模型如下：

圖2 計算模型

船體長度xxm，寬度xxm，型深xm，總噸位4316t，滿載平均吃水4.2m。該船處于無遮蔽的海域中，收到波浪的作用，分析其運動性能。

 2、參數(shù)設(shè)置

根據(jù)船體和鋼樁實際的運動狀態(tài)，通過軟件計算其重心位置、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)，并對模型進行網(wǎng)格劃分。本次網(wǎng)格采用四面體和六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，采用智能網(wǎng)格方式進行劃分，選取單元最大尺寸為2，共生成單元3686個，如下圖所示。

圖3 劃分網(wǎng)格

3、計算載荷

計算水深為30米，分別計算如下工況下，船體在風浪作用下對鋼樁進行沖擊時，鋼樁受到的作用力。假定波浪與船體夾角為45°，波高為1m，波的頻率為0.167.通過AQWA軟件模擬船舶的運動狀態(tài)，并進行受力分析，其結(jié)果如下：

圖4 壓力和運動云圖

圖5 作用在船體上的縱向波浪載荷

圖6 樁底反力

由上圖可以的受力分析可以看出，鋼樁在船體和土體的共同作用下，鋼樁底部受力較大，在該工況下，鋼樁底部的作用反力最大為1.05*106N。

4、鋼樁應(yīng)力計算

根據(jù)天驥船鋼樁的實際結(jié)構(gòu)和尺寸建立三維模型，樁尖入泥部分簡化為實體（如圖8），利用ANSYS軟件計算在以上鋼樁作用力的情況下，鋼樁能否承受該壓力。

圖7 鋼樁模型

鋼樁的材料為DH36，其材料參數(shù)如下表所示：

    在Ansys中對鋼樁劃分網(wǎng)格，添加約束和載荷，如下圖所示： 
圖8 劃分網(wǎng)格，添加約束和載荷

對鋼樁施加1.5*e6N的載荷后，計算結(jié)果如下圖所示：

圖9  鋼樁應(yīng)變云圖

圖10  鋼樁應(yīng)力云圖

5、仿真計算結(jié)果

鋼樁樁底反力（N）	最大應(yīng)力（Pa）	安全系數(shù)
1.2e6	2.539 e8	1.4
1.4 e6	2.96 e8	1.2
1.5 e6	3.17 e8	1.1
1.6 e6	3.385 e8	1.05
1.7 e6	3.597 e8	0.98

從應(yīng)力云圖和計算結(jié)果可以看出，在鋼樁樁底作用反力為1.5*e6N時，鋼樁的最大應(yīng)力為3.1737*e8Pa，發(fā)生在鋼樁的銷子眼附件，雖然小于鋼樁的屈服應(yīng)力，但安全系數(shù)只有1.1。為了保證鋼樁的安全性，建議安全系數(shù)為1.4。進一步計算得出，當作用反力為1.2e6N時，鋼樁的最大應(yīng)力為2.529*e8Pa，安全系數(shù)為1.4，符合設(shè)計要求。

6、多工況結(jié)果分析

計算過程中需考慮考慮波浪與船體夾角不同，波高不同及周期不同對結(jié)果的影響，因此設(shè)定不同的工況，分別計算對應(yīng)工況下鋼樁樁底作用反力的極大值，并結(jié)合仿真分析結(jié)果對鋼樁的承受能力進行分析。

      上述仿真結(jié)果可以看出，波浪與船體的夾角不同導致產(chǎn)生的鋼樁作用反力也不同。不同波高對應(yīng)對的鋼樁受力也不同，波浪入射角度和周期相同的情況下，波高越大，鋼樁力越大；波浪入射角度和波高相同的情況下，鋼樁受力隨周期的增大而先增大后減小，在周期為10s左右時，鋼樁受力最大，可能是由于波浪周期為10時與船體的固有周期接近或者相等，發(fā)生共振引起的。

7、不同周期下的運動狀態(tài)

圖11  波高1m，周期5s

圖12 波高1m，周期10s

圖13  波高1m，周期18s

文章來源：濱海公司技術(shù)中心