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鋪排船是為滿(mǎn)足長(zhǎng)江及沿海航道對(duì)軟質(zhì)基礎(chǔ)(沙質(zhì)等)河床構(gòu)筑物進(jìn)行整治時(shí)的工程需要而建造的工程船。鋪排作業(yè)時(shí)，通過(guò)其鋪排系統(tǒng)，將特制的連鎖塊軟體排平整連續(xù)地鋪設(shè)在河床上。鋪排作業(yè)時(shí)要求其能夠適應(yīng)水域的水流、氣候變化。鋪排船的船體結(jié)構(gòu)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(mǎn)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(chē)同步系統(tǒng)等自動(dòng)化要求較高。本研究將應(yīng)用有限元分析軟件FEMAP，分別對(duì)鋪排系統(tǒng)中的滑板、吊架、卷筒、船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等進(jìn)行強(qiáng)度分析和探討。
鋪排系統(tǒng)的主要流程包括以下幾項(xiàng)。首先，鋪排船到達(dá)指定工作區(qū)域以后，由克令吊將連鎖塊軟體排(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：“連鎖排”)從運(yùn)輸輪上吊至鋪排船主甲板，再通過(guò)主卷筒自身動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)裹起連鎖排；然后由人工將連鎖排從主卷筒拉出經(jīng)過(guò)副卷筒后到達(dá)滑板(此時(shí)滑板水平放置)，接著由絞車(chē)控制滑板緩慢放下，連鎖排通過(guò)自身重力及錨泊系統(tǒng)的移船拉力到達(dá)河床，在水下達(dá)成鋪設(shè)。需要注意的是，主卷筒是有動(dòng)力控制轉(zhuǎn)動(dòng)的，而副卷筒僅僅是為了分擔(dān)主卷筒的拉力，固定不轉(zhuǎn)。在工作過(guò)程中主卷筒需要通過(guò)動(dòng)力控制連鎖排的下落速度，配合船體移動(dòng)速度才能達(dá)到最佳的鋪設(shè)效果。滑板的起降系統(tǒng)由首尾兩臺(tái)絞車(chē)通過(guò)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(chē)相連，這樣可以使滑板首尾的起吊速度盡可能相同。滑板在達(dá)到最大下放角度時(shí)，會(huì)通過(guò)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(dòng)態(tài)水域的鋪排作業(yè)中，滑板系統(tǒng)是一個(gè)靜態(tài)的過(guò)程，這樣既保證了鋪排的精確性，又使得作業(yè)過(guò)程安全平穩(wěn)。鋪排系統(tǒng)組成如圖所示。
連鎖排是通過(guò)自身重力下水而達(dá)到鋪排目的，因此受力分析首先應(yīng)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(mǎn)連鎖排的重力；Gz為甲板上連鎖排的重力；F浮力為水線(xiàn)下的連鎖排受到浮力；F水流為水線(xiàn)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(duì)連鎖排的摩擦力，臨界狀態(tài)連鎖排對(duì)副卷筒沒(méi)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(gè)相對(duì)較大的角度不能超過(guò)45°，以免無(wú)法拉起滑卯，再代回原來(lái)的計(jì)算公式驗(yàn)證。角度確定之后，便可以決定整個(gè)吊架系統(tǒng)的實(shí)行方案，設(shè)計(jì)撐桿的長(zhǎng)度及與主船體的連接細(xì)節(jié)。所以，下滑角度是本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
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(shí)，選擇下述兩種相對(duì)惡劣工況。水流方向與鋪排方向一致，連鎖排在下落的過(guò)程中，還未達(dá)到河床，此時(shí)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(shè)，此時(shí)由于水流沖擊，連鎖排在水下形成近似懸鏈線(xiàn)，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(duì)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(xiàn)的端部夾角e2，然后通過(guò)利用懸鏈線(xiàn)理論，代入數(shù)據(jù)得出連鎖排沿切角e2對(duì)滑板自由端的拉力。最后，在通過(guò)比較工況，選取產(chǎn)生最大力矩的工況。需要說(shuō)明的是，由于水下工況通常比靜態(tài)分析要復(fù)雜許多，在計(jì)算最后取值時(shí)，需要保留足夠的余度。因此作為設(shè)計(jì)方，應(yīng)當(dāng)盡量提供以上兩種計(jì)算結(jié)果及安全系數(shù)選擇方案，由船東定下最?lèi)毫拥氖芰Υ笮。员阋院蟮慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析都能基于此受力進(jìn)行計(jì)算。
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