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鋪排船是為滿足長江及沿海航道對軟質(zhì)基礎(沙質(zhì)等)河床構筑物進行整治時的工程需要而建造的工程船。鋪排作業(yè)時，通過其鋪排系統(tǒng)，將特制的連鎖塊軟體排平整連續(xù)地鋪設在河床上。鋪排作業(yè)時要求其能夠適應水域的水流、氣候變化。鋪排船的船體結構一般為駁船，但是需要有精確的錨泊定位能力，以便鋪排作業(yè)能夠滿足區(qū)域精度要求。此外，船上滑板的起降控制系統(tǒng)、錨泊絞車同步系統(tǒng)等自動化要求較高。本研究將應用有限元分析軟件FEMAP，分別對鋪排系統(tǒng)中的滑板、吊架、卷筒、船體結構加強等進行強度分析和探討。
鋪排系統(tǒng)的主要流程包括以下幾項。首先，鋪排船到達指定工作區(qū)域以后，由克令吊將連鎖塊軟體排(以下簡稱：“連鎖排”)從運輸輪上吊至鋪排船主甲板，再通過主卷筒自身動力轉動裹起連鎖排；然后由人工將連鎖排從主卷筒拉出經(jīng)過副卷筒后到達滑板(此時滑板水平放置)，接著由絞車控制滑板緩慢放下，連鎖排通過自身重力及錨泊系統(tǒng)的移船拉力到達河床，在水下達成鋪設。需要注意的是，主卷筒是有動力控制轉動的，而副卷筒僅僅是為了分擔主卷筒的拉力，固定不轉。在工作過程中主卷筒需要通過動力控制連鎖排的下落速度，配合船體移動速度才能達到最佳的鋪設效果�；宓钠鸾迪到y(tǒng)由首尾兩臺絞車通過吊架控制，系統(tǒng)中僅由一根鋼絲繩貫穿吊架、滑板再與首尾絞車相連，這樣可以使滑板首尾的起吊速度盡可能相同�；逶谶_到最大下放角度時，會通過滑板下方的撐桿撐住主船體，由于撐桿的存在，鋼絲繩不再受力。在動態(tài)水域的鋪排作業(yè)中，滑板系統(tǒng)是一個靜態(tài)的過程，這樣既保證了鋪排的精確性，又使得作業(yè)過程安全平穩(wěn)。鋪排系統(tǒng)組成如圖所示。
連鎖排是通過自身重力下水而達到鋪排目的，因此受力分析首先應確定滑板與水平面的夾角的數(shù)值，使連鎖排能夠依靠自身重力下水，如圖所示。圖中，G，為滑板上鋪滿連鎖排的重力；Gz為甲板上連鎖排的重力；F浮力為水線下的連鎖排受到浮力；F水流為水線以下連鎖排受到水流壓力；f1為滑板上連鎖排受到的摩擦力；f2為甲板上連鎖排受到的摩擦力；f3為卷筒對連鎖排的摩擦力，臨界狀態(tài)連鎖排對副卷筒沒有正壓力。P為水密度，V為流速，A為流向垂直面上的投影，協(xié)為連鎖排與普通鋼的摩擦系數(shù)。算出e的最小值以后，取一個相對較大的角度不能超過45°，以免無法拉起滑卯，再代回原來的計算公式驗證。角度確定之后，便可以決定整個吊架系統(tǒng)的實行方案，設計撐桿的長度及與主船體的連接細節(jié)。所以，下滑角度是本設計的基礎。
滑板自由端受到水下連鎖排的拉力，這是所有鋪排系統(tǒng)有限元分析的唯一條件力。因此，在分析此處受力時，選擇下述兩種相對惡劣工況。水流方向與鋪排方向一致，連鎖排在下落的過程中，還未達到河床，此時由于水流沖擊，連鎖排與豎直方向產(chǎn)生平衡角e。C2水流方向與鋪排方向一致，連鎖排已經(jīng)在河床上形成連續(xù)的正常鋪設，此時由于水流沖擊，連鎖排在水下形成近似懸鏈線，端部切角為e2。在C1工況中，利用水下連鎖排重力、浮力與水流力的平衡可以算出連鎖排沿e，角對滑板自由端的拉力。在(力工況中，由連鎖排的拉伸率與水流力可以算出懸鏈線的端部夾角e2，然后通過利用懸鏈線理論，代入數(shù)據(jù)得出連鎖排沿切角e2對滑板自由端的拉力。最后，在通過比較工況，選取產(chǎn)生最大力矩的工況。需要說明的是，由于水下工況通常比靜態(tài)分析要復雜許多，在計算最后取值時，需要保留足夠的余度。因此作為設計方，應當盡量提供以上兩種計算結果及安全系數(shù)選擇方案，由船東定下最惡劣的受力大小，以便以后的結構強度分析都能基于此受力進行計算。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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