沿海选矿船选矿系统支撑装置强度分析

杨 辉，高卓鹏

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；
2.中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 201108)

目前，世界各国为维护海洋权益越来越重视海洋资源的开发与利用。特别是近年来随着铁矿石资源开发的逐年扩展，针对滨海砂矿的开发，已成为人们关注的热点[1]。

因此，从维护我国海洋权益的角度出发，迫切需要发展海洋矿产资源开发装备。

在浅海采矿领域，国内一些改造过的吸砂船，可以在浅海采掘铁砂矿，但效率低，能耗高，无法形成规模化生产。因此，需要设计配备船载智能选矿系统的专用选矿船，在采矿船的配合下实施矿物的及时分选。

选矿船主甲板近似长方形，其上方主要布置选矿设备及其厂房，并采用开敞型的桁架式结构。选矿系统整体高度较高，整船的空船重心偏高，受风面积较大，因此该船作业时受风、浪、潮流的影响也很大。为确保这种开敞式选矿系统支撑结构的安全，本文采用MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN软件对整体选矿系统结构建立有限元模型并进行应力分析，以提高选矿系统布置的合理性，同时能直观准确地验证选矿系统的结构强度。

本文研究依据澳大利亚Amex 公司斐济MBa Delta铁矿砂项目。该项目是我国首个自主设计建造并出口的大型海上采选矿项目[2]。

一套配合采矿船实施矿物及时分选的船载智能选矿系统由粗磁选机支撑平台、细筛分矿器支撑平台、振动筛及精磁选机用支撑平台、高频振动细筛支撑平台、缓冲斗、通道及顶棚等部分组成，总体划分为4 个功能区域。选矿系统支撑结构(横剖面图)见图1。

图1 选矿系统支撑结构剖面图

2.1 支撑结构模型

建立模型时采用三维板梁组合单元。有限元模型包括了选矿系统支撑装置的所有构件及其船体支撑结构，模型中构件尺寸均为建造尺寸。建模时，纵向范围为船首至船尾；
横向取左舷舷侧至右舷舷侧；
垂向包括甲板向下1 200 mm范围的整个结构，以及甲板向上整个钢结构。有限元模型见图2。

图2 选矿系统支撑平台模型图

2.2 边界条件

模型底端约束3个方向线位移。

2.3 计算载荷

选矿系统的支撑装置强度分析，主要考虑在航行和作业时，支撑装置所受的各种外载荷对强度造成的影响。

(1)工作作业工况主要考虑设备载荷和风压。

设备载荷包括缓冲斗、分矿箱、振动筛、通道材料和相关管系等安装在支撑装置上的设备自重，以及含各设备和相关管路内的矿浆质量。缓冲斗在模型中相应受力位置施加面压力，设备通过质量点的方式按照其布置位置进行加载。有限元载荷施加见图3和图4。

图3 平台上的设备载荷施加

图4 缓冲斗上的载荷施加

(2)航行工况主要承受运输过程中半潜船提供的运动加速度及风压。

本船装载在半潜船上进行远距离运输，因此运输用半潜船的运动数据作为本船航行工况的运动载荷施加依据。参数数据：纵向加速度1.407 m/s2，横向加速度2.534 m/s2，垂向加速度2.165 m/s2，最大横摇角8.841°。本模型中inertial load施加的力为<1.40，-2.53，-11.96>。

参照《起重规范》，风压P=0.613V2，其中V为风速，V=35 m/s。经计算：P=750 Pa。在模型中顶棚相应受力节点位置，每处施加750 Pa面压力。有限元载荷施加见图5。

图5 顶棚风压载荷的施加

3.1 许用应力衡准

主船体结构材料采用Q235钢，其屈服强度为235 MPa，材料系数K为1.0。根据《海规》规定，板单元和梁单元的许用相当应力为235 MPa，许用剪切应力取屈服强度的0.6倍，为141 MPa。

支柱结构材料采用Q345钢，其屈服强度为345 MPa，材料系数K为0.72。根据《海规》规定，板单元和梁单元的许用相当应力为326 MPa，许用剪切应力取屈服强度的0.6倍，为196 MPa。

3.2 应力计算值汇总

工作工况和航行工况下的有限元分析中最大应力结果汇总见表1和表2。

表1 工作工况下构件最大计算应力 单位：MPa

表2 航行工况下构件最大计算应力 单位：MPa

3.3 最大应力云图汇总

工作工况下最大相当合成应力云图见图6，支柱最大相当合成应力云图见图7；
航行工况下最大相当合成应力云图见图8，支柱最大相当合成应力云图见图9。

图6 工作工况下最大相当合成应力(单位：MPa)

图7 工作工况下支柱最大相当合成应力(单位：MPa)

图8 航行工况下最大相当合成应力(单位：MPa)

图9 航行工况下支柱最大相当合成应力(单位：MPa)

(1)为增加支撑装置结构的整体刚性，对支撑装置进行了针对性的结构优化。各平台和桁架之间局部区域增设斜撑结构。缓冲斗重量重、体积庞大，对其支撑的平台是本选矿系统的重载平台，同时由于布置在选矿系统的上端，其所承受的船舶运动加速度载荷及局部集中重力载荷最大，所以缓冲斗的支撑平台采用板架式结构，以及支柱和T型材结构对缓冲斗进行局部加强。另外，采用工字型材连接外侧遮阳顶棚支柱与内部各支撑平台支柱，增加整个选矿系统支撑平台的强度。通过有限元计算结果得知，该设计及优化方式满足强度要求。

(2)高频振动细筛因为振动频率极高，振动大，对结构强度要求非常高。高频振动细筛平台应增设加强支柱至主甲板，并用斜撑结构对支柱加强，以减小设备振动和噪声。

(3)支撑装置的结构设计，应重点关注船舶运动加速度的影响。通过有限元载荷计算发现，主船体的纵摇、横摇、纵荡、横荡、垂荡等产生的动载荷，对支撑装置结构的应力值影响很大，必须从横向、纵向、水平三个方向上采用板架结构、桁架结构或其他等效结构进行加强。

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