張金岐，楊子恒，王 偉，李國強(qiáng)

(浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

漁船作為海洋捕撈的重要工具，對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究很有必要。早期研究將船體簡化為梁來計算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，雖然計算方便，但是誤差較大。隨著有限元分析在船舶領(lǐng)域廣泛應(yīng)用后，有限元分析已經(jīng)成為船舶結(jié)構(gòu)分析的重要方法[1-6]。有限元分析軟件的發(fā)展也不斷完善，其中用于船舶主要有Sesam、MSC/Patran、Ansys等。目前，應(yīng)用有限元分析法計算船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已被船舶設(shè)計研究所和船級社廣泛承認(rèn)和采用[7-9]。通常，有限元分析一般用于散貨船、油船等商船[10-12]，對漁船特別是秋刀魚漁船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的直接計算很少?！朵撡|(zhì)遠(yuǎn)洋漁船建造規(guī)范》[13]中對大于65 m的船才要求計算總縱強(qiáng)度，中國遠(yuǎn)洋漁船一般長度小于65 m，即便超過65 m，船舶的波浪彎矩也由經(jīng)驗(yàn)公式獲得，用于校核剖面結(jié)構(gòu)與總強(qiáng)度等，而漁船與常規(guī)商船的型線存在很大區(qū)別，無平行中體，且漁船實(shí)際作業(yè)工況復(fù)雜，環(huán)境載荷很難簡單地用經(jīng)驗(yàn)公式計算。全船有限元分析方法就是將整個船體結(jié)構(gòu)離散成能夠精準(zhǔn)模擬其承載模式和變形情況的有限單元[14-18]，以準(zhǔn)確反映船體受力與變形情況。

為更好地設(shè)計秋刀魚漁船，有必要根據(jù)實(shí)際海況的載荷進(jìn)行全船有限元計算，來評估該類漁船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過模擬得出該船應(yīng)力分布情況和應(yīng)力集中區(qū)域，在設(shè)計同類漁船時加以關(guān)注，為相關(guān)漁船設(shè)計提供參考。

1 秋刀魚漁船與有限元計算

1.1 秋刀魚漁船

選用的秋刀魚漁船為鋼質(zhì)全焊接遠(yuǎn)洋漁船，船舶主體結(jié)構(gòu)為橫骨架式，整體結(jié)構(gòu)為單層底結(jié)構(gòu)，儲魚區(qū)域?yàn)殡p層底結(jié)構(gòu)。主船體設(shè)置7道水密橫艙壁，船中各個艙室可滿足正常生活工作需要。其船型主尺度見表1。

秋刀魚漁船是一種用于秋刀魚捕撈的漁船[19]，作業(yè)時大部分采用光誘舷提網(wǎng)操作[20-21]。其工作原理是在儀器探測到魚群時，船上開啟安裝在舷側(cè)的集魚燈，等到魚群聚集在燈光照射范圍內(nèi)時關(guān)閉左舷集魚燈，魚群被吸引至右舷后在左舷張開網(wǎng)具，然后打開左舷的集魚燈，關(guān)閉右舷集魚燈，左舷集魚燈只保留紅燈，可使魚群吸引至水面位置，最后起網(wǎng)捕撈。

表1 船型主尺度

1.2 有限元模型與計算

1.2.1 有限元模型

本文采用的Sesam軟件建模分析。模型如圖1所示。

圖1 全船模型

模型的建立根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系，以舵桿中心線與基線的交點(diǎn)為原點(diǎn)，X軸方向由船尾朝向船首，Y軸方向由右舷朝向左舷，Z軸方向由船底朝向甲板。模型范圍為全船，整體鋼板結(jié)構(gòu)采用板元模擬，肋骨和加強(qiáng)筋等采用梁單元來模擬，有些小開口忽略。

1.2.2 漁船裝載工況

秋刀魚漁船裝載主要是魚、燃油、淡水和食品，工況參照遠(yuǎn)洋漁船的要求來進(jìn)行裝載計算。最大載貨(總質(zhì)量)：秋刀魚217.6 t，燃油192.1 t，淡水64.1 t，食物7.2 t。主要裝載量根據(jù)《漁業(yè)船舶法定檢驗(yàn)規(guī)則》[22]確定，具體見表2。

表2 各裝載工況裝載比例

1.2.3 設(shè)計波工況

設(shè)計波法是在船舶作業(yè)時用所處位置最危險的規(guī)則波來代替實(shí)際波浪[23]，被用作波浪載荷參數(shù)來計算全船有限元，此時認(rèn)為船舶在該條件下航行最嚴(yán)峻。如果此時的船體結(jié)構(gòu)仍然滿足要求，那么認(rèn)為船舶的強(qiáng)度是滿足要求的。采用的設(shè)計波根據(jù)漁船實(shí)際作業(yè)海域來確定，根據(jù)西北太平洋長期波浪載荷的統(tǒng)計[24]，設(shè)計波參數(shù)見表3。

表3 設(shè)計波參數(shù)

1.2.4 邊界條件

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算時，應(yīng)對船體施加約束來限制其位移。邊界條件施加按照中國船級社(CCS)發(fā)布的《鋼質(zhì)遠(yuǎn)洋漁船建造規(guī)范(2018)》[13]來確定：1)球鼻艏下面點(diǎn)2施加X、Y、Z軸方向位移約束；2)尾封板位置點(diǎn)3、4施加Z軸向的位移約束；3)舵桿下面點(diǎn)1施加Y軸向位移約束(圖2)。

1.2.5 強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)

在對整船進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算后進(jìn)行結(jié)果分析時，如果某些單元網(wǎng)格較差，則出現(xiàn)應(yīng)力集中或約束點(diǎn)周圍的某些網(wǎng)格可以忽略。對于板格單元，其應(yīng)力表達(dá)式為[25]：

(1)

式中：σx—x方向上的單元應(yīng)力，MPa；σy—y方向上的單元應(yīng)力，MPa；τxy—在xy平面上的剪應(yīng)力，MPa。

圖2 邊界條件

參考文獻(xiàn)[26]，結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力取為：

[σe]=0.95σf

(2)

式中：σf—鋼材的最小屈服應(yīng)力。本文模型由中國船級社(CCS)A級和E級鋼建造，屈服應(yīng)力235 MPa，楊氏模量2.06×105MPa，質(zhì)量密度7 850 kg/m3。CCS E級鋼只用在凍結(jié)間的一部分甲板，其余為A級鋼，根據(jù)上式得出許用應(yīng)力為223 MPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 橫向彎矩工況分析

以最大水平波浪彎矩作為設(shè)計波，從結(jié)果(圖3)中可以看出，在變形方面，艉部整體大于艏部，右舷大于左舷，工況L5右側(cè)變形最明顯。

圖3 工況L1、L3、L5下的變形圖和應(yīng)力分布圖

工況L1和L3的變形最大處在羅經(jīng)甲板上、救生甲板前半段以及救生甲板和艉樓甲板之間的艙壁上；工況L5最大變形處位于羅經(jīng)甲板右側(cè)、駕駛甲板右側(cè)以及右舷部分舷墻以及舷墻下方部分舷側(cè)外板。在強(qiáng)度方面，工況L1應(yīng)力較大處位于駕駛室與艉樓甲板相交的兩個端點(diǎn)處、駕駛室前艙壁和主甲板相連接的兩個端點(diǎn)處；工況L3應(yīng)力較大處位于艉樓甲板與主甲板相交艙壁位置處；工況L5應(yīng)力分布比較均勻。設(shè)計船舶時應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注這些應(yīng)力集中區(qū)域，必要時可以做加強(qiáng)。

圖4 工況L2、L4、L6下的變形圖和應(yīng)力分布圖

2.2 總縱強(qiáng)度工況分析

以最大垂直波浪彎矩作為設(shè)計波，從結(jié)果(圖4)中可以看出，在變形方面，工況L2和L4的變形最大處在羅經(jīng)甲板上、救生甲板前半段以及救生甲板和艉樓甲板之間的艙壁上；工況L6最大變形處位于主甲板中間部分。在強(qiáng)度方面，工況L2應(yīng)力較大處在駕駛室后艙壁與艉樓甲板和救生甲板分別相交的兩個端點(diǎn)處；工況L4應(yīng)力較大處位于艉樓甲板和主甲板相交的艙壁中間部分。工況L6中應(yīng)力分布比較均勻。

由結(jié)果可知，船首、船尾的應(yīng)力和變形小于船中，因?yàn)樗捎玫那锏遏~漁船壓載和機(jī)械設(shè)備設(shè)在艏部和艉部。L4工況顯示中部浮力大于艏部和艉部，此時呈現(xiàn)中拱狀態(tài)；L2工況為滿載狀態(tài)，但漁獲物輕于中部排水體積，從而顯示出中拱狀態(tài)。鑒于空載與滿載工況都呈中拱狀態(tài)，建議將壓載艙室設(shè)在船中。

3 結(jié)論

計算結(jié)果表明：1)剔除約束點(diǎn)附近的應(yīng)力集中單元，模型的應(yīng)力全部滿足許用要求；2)工況結(jié)果顯示駕駛室后艙壁與艉樓甲板、救生甲板分別相交的兩個端點(diǎn)處，艉樓甲板和主甲板相交艙壁處的應(yīng)力較大；3)豐收返港工況中，中垂?fàn)顟B(tài)并未出現(xiàn)，原因是漁船壓載和一些大型器械全都設(shè)在艏艉部，應(yīng)將壓載設(shè)置在中部，以減小船體附加彎矩。本計算結(jié)果可為秋刀魚漁船提供一定的設(shè)計參考，應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)做好結(jié)構(gòu)過渡或進(jìn)行局部加強(qiáng)。此外，將壓載設(shè)置在船體中部，還可以控制船舶重心，避免空船靜水彎矩幅值過大。

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