王貴彪，張海波，單長飛，崔雪亮

(1.浙江省海洋水產(chǎn)研究所,浙江 舟山 316021； 2江蘇新楊子造船有限公司,江蘇 靖江 214500)

0 引 言

艙口蓋作為船舶重要的舾裝設(shè)備之一，主要作用是承受風(fēng)雨載荷以保證船型的風(fēng)雨密狀態(tài)[1-3]。而與一般商船不同，漁船魚艙艙口蓋尺寸較小[4]，其承受的載荷主要為風(fēng)雨密載荷且極少有貨物載荷，同時艙口蓋基本由人力進(jìn)行打開和關(guān)閉操作。而現(xiàn)行的檢驗規(guī)則僅僅規(guī)定了小型標(biāo)準(zhǔn)尺寸鋼質(zhì)艙口蓋的加強(qiáng)筋尺寸與數(shù)量，但對稍大尺度或非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的艙口蓋加強(qiáng)筋并未給出類似國內(nèi)漁船艙口蓋計算的簡單公式[5-6]。此外，對艙蓋設(shè)置過多的加強(qiáng)筋也將增加艙蓋的重量，影響艙蓋的打開與閉合。因此，對遠(yuǎn)洋漁船魚艙口蓋強(qiáng)度進(jìn)行計算并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對魚艙艙蓋的設(shè)計與實際應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。

筆者以某遠(yuǎn)洋魷釣漁船的露天艙口蓋為研究對象，參照CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》[7]以及中國海事局《遠(yuǎn)洋漁船法定檢驗規(guī)則》[6](以下簡稱《規(guī)則》)，利用MSC.Patran軟件建立有限元模型并對其強(qiáng)度進(jìn)行直接計算，分析了艙蓋在風(fēng)雨密及自重載荷下的應(yīng)力和變形情況，同時對艙口蓋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 艙口蓋概述

目標(biāo)船型為鋼質(zhì)雙甲板、雙層底、單槳、單舵、尾機(jī)型、橫骨架式、電焊焊接結(jié)構(gòu)機(jī)動魷魚釣船，其主甲板上共設(shè)露天魚艙口蓋1個(1 300 mm×2 300 mm×2)，共有兩個蓋板組成，蓋板上等距離設(shè)置3根加強(qiáng)筋，蓋板與加強(qiáng)筋材料為CCS A級普通鋼材，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 魚艙艙口蓋結(jié)構(gòu)圖

2 有限元模型的建立

2.1 有限元模型

全模型采用建造尺寸，按照1：1建立模型。坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系，原點位于艙口蓋右舷尾端處，x軸向船首為正方向，y軸向左舷為正方向，z軸向上為正方向。具體如圖2所示。鋼材彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85 t/mm3。

圖2 魚艙艙口蓋結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 載荷及邊界條件的設(shè)置

魚艙艙口蓋風(fēng)雨密載荷計算參照《規(guī)則》的有關(guān)要求，本蓋板的設(shè)計載荷為13.31 kPa，而蓋板的自重則通過重力加速度的形式加載。同時根據(jù)魚艙艙口圍板的特性，對艙蓋沿船長方向限制其Y、Z方向自由度，沿船寬方向限制其X、Z方向的自由度，其四個角同時限制其3個方向自由度，具體如下表所示。

表1 邊界條件

2.3 許用彎曲應(yīng)力與許用撓度

本船艙口蓋材料為CCS A級普通鋼材，其彈性模量為E=2.06×105N/mm2，泊松比為0.30，屈服極限為ReH=235 MPa、抗拉強(qiáng)度Rm=420 MPa，密度ρ=7.85 g/cm3。根據(jù)《規(guī)則》：艙蓋彎曲應(yīng)力的安全系數(shù)c大于或等于4.25；艙蓋變形的允許撓度y≤l/360(其中l(wèi)為長方向的跨距)。具體如下表所示。

表2 艙口蓋許用衡準(zhǔn)

3 計算結(jié)果

圖3、4為艙蓋的彎曲應(yīng)力云圖和變形云圖，從中可以發(fā)現(xiàn)艙蓋最大彎曲應(yīng)力為14.0 MPa，最大變形為3.62 mm，均滿足相關(guān)要求。

由圖可以發(fā)現(xiàn)艙蓋應(yīng)力最大區(qū)域主要位于無艙口圍板支撐的區(qū)域，而變形最大處則位于無支撐圍板處艙蓋的正中處，并呈對稱分布。

圖3 艙蓋彎曲應(yīng)力云圖 圖4 艙蓋變形云圖

3.1 艙口蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1.1 橫撐設(shè)置的必要性研究

橫撐結(jié)構(gòu)與艙口圍板類似，通常沿艙蓋長邊的方向設(shè)置，主要用于固定和支撐艙蓋，其功能類似于垂向限位器[8]，具體如圖5所示。

圖5 橫撐結(jié)構(gòu)簡圖

在艙口圍板上設(shè)置橫撐結(jié)構(gòu)后，原處于橫撐位置的艙蓋豎板的邊界條件與艙口圍板處一致，其有限元計算結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 艙蓋彎曲應(yīng)力云圖 圖7 艙蓋變形云圖

由上圖可以發(fā)現(xiàn)，艙蓋應(yīng)力較原結(jié)構(gòu)下降了約60.5%，變形量更是減少了約76.3%，同時應(yīng)力和變形分布基本呈對稱狀態(tài)。由此可見，艙口圍板上橫撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置能夠有效地減少艙蓋應(yīng)力和變形量。

3.1.2 艙口蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

為優(yōu)化魚艙口蓋的結(jié)構(gòu)，在設(shè)置艙口圍板橫撐的基礎(chǔ)上，分別建立設(shè)置加強(qiáng)筋數(shù)量為0、1、2且均勻分布的模型一、模型二和模型三，加強(qiáng)筋尺寸為80×8 mm，并分別對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，具體計算結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 不同模型彎曲應(yīng)力對比

圖9 不同模型變形量對比

由計算結(jié)果可知，除模型一外，其余模型的計算結(jié)果均滿足規(guī)范的相關(guān)要求，同時隨著加強(qiáng)筋數(shù)量的增多，應(yīng)力和變形量逐漸減少。

由圖10～15各模型的應(yīng)力云圖和變形云圖可以發(fā)現(xiàn)，各模型的應(yīng)力基本呈中心對稱分布，應(yīng)力最大處和最小處均位于構(gòu)成板格的四個角落上，而變形最大處基本位于板格的中心處。由于《規(guī)則》并未規(guī)定該尺寸艙口蓋的構(gòu)造，但與1 330 mm×1 330 mm尺寸艙口蓋需設(shè)置縱向主要加強(qiáng)筋120 mm×10 mm兩根，橫向次要加強(qiáng)筋80 mm×8 mm兩根的要求對比，經(jīng)有限元直接計算后設(shè)計的艙口蓋所需加強(qiáng)筋數(shù)量大幅減少。同時，根據(jù)計算結(jié)果，在艙口蓋板上設(shè)置1根加強(qiáng)筋為最佳的方案。

圖10 模型一彎曲應(yīng)力云圖 圖11 模型二彎曲應(yīng)力云圖

圖12 模型三彎曲應(yīng)力云圖 圖13 模型一變形云圖

圖14 模型二變形云圖 圖15 模型三變形云圖

4 不銹鋼材質(zhì)在魚艙艙口蓋上的應(yīng)用

歐盟注冊是漁獲物進(jìn)入歐盟市場的綠色通道，能有效保證捕撈加工作業(yè)過程中對漁獲物的質(zhì)量控制，對爭取更多銷售市場、避免單一市場風(fēng)險具有重要的意義[9-11]。而與漁獲接觸物體表面材質(zhì)采用不銹鋼[12]是符合歐盟注冊標(biāo)準(zhǔn)改造的重要內(nèi)容之一，不少遠(yuǎn)洋漁船的艙口蓋已改造為用不銹鋼代替普通鋼材。將模型二的材料特性改為304不銹鋼材質(zhì)，其彈性模量為E=1.93×105N/mm2，泊松比為0.30，屈服極限為ReH=205 MPa、抗拉強(qiáng)度Rm=520 MPa，密度為7.93 g/cm3。

由圖16～17可以發(fā)現(xiàn)，采用不銹鋼材質(zhì)后，艙口蓋的應(yīng)力比鋼板材質(zhì)大約7.7%，而變形量則增大了11%，但其應(yīng)力和變形分布均與鋼板材質(zhì)保持一致。同時采用不銹鋼后，其許用應(yīng)力比原艙蓋減小了約12.8%，但其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍然滿足規(guī)范要求。

圖16 不銹鋼模型應(yīng)力云圖 圖17 不銹鋼模型變形云圖

5 結(jié) 論

通過對遠(yuǎn)洋漁船不同結(jié)構(gòu)形式和不同材質(zhì)的魚艙口蓋強(qiáng)度進(jìn)行直接計算與分析，得到結(jié)論如下：

(1) 利用有限元進(jìn)行艙口蓋強(qiáng)度的直接計算能夠有效評估艙口蓋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并合理地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，艙口圍板上的橫撐結(jié)構(gòu)能夠有效地降低艙口蓋的應(yīng)力和變形。因此，在艙口圍板的設(shè)計或施工中應(yīng)盡量設(shè)置橫撐結(jié)構(gòu)。

(2) 與規(guī)則中類似尺寸艙口蓋結(jié)構(gòu)相比，利用有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計算能夠有效的減少加強(qiáng)筋數(shù)量，降低艙口蓋的生產(chǎn)成本。

(3) 采用不銹鋼材質(zhì)后，雖然其許用應(yīng)力較原材質(zhì)減小且應(yīng)力及變形均較原材質(zhì)增大，但其結(jié)構(gòu)依然滿足規(guī)則要求。