王靖，楊高勝，李納

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室;中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

某型遠(yuǎn)洋漁船冰區(qū)加強(qiáng)方案分析

王靖，楊高勝，李納

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室;中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

為了得到安全經(jīng)濟(jì)的漁船船體冰區(qū)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式，對(duì)冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)分別根據(jù)BV船級(jí)社規(guī)范和CCS鋼質(zhì)海船規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，為了得到直觀的計(jì)算結(jié)果，選出按BV規(guī)范計(jì)算得出的鋼材重量最輕的方案進(jìn)行有限元直接計(jì)算，根據(jù)直接計(jì)算結(jié)果得到鋼材強(qiáng)度的利用率，對(duì)比發(fā)現(xiàn)由于兩部規(guī)范的冰區(qū)加強(qiáng)部分適用船型較廣且針對(duì)的海域有所不同，其加強(qiáng)內(nèi)容不是根據(jù)漁船特有的作業(yè)特點(diǎn)制定的，所以有必要區(qū)分商業(yè)運(yùn)輸船和漁業(yè)捕撈船的工況，針對(duì)相應(yīng)的航行海域選擇合適的規(guī)范和冰級(jí)。

遠(yuǎn)洋漁船;冰區(qū)加強(qiáng);結(jié)構(gòu)優(yōu)化

漁業(yè)是重要的資源性戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源是人類的公共資源。國(guó)際上對(duì)遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源管理的規(guī)則是“占有即權(quán)益”。遠(yuǎn)洋漁船到大洋捕撈，不但可以增加食物供給，還可以緩解近海漁業(yè)資源過度捕撈的壓力，符合保護(hù)海洋環(huán)境的要求。因此，大型遠(yuǎn)洋漁船的自主研發(fā)是業(yè)界的重要任務(wù)［1］。隨著捕撈范圍越來越廣泛，涉及冬季結(jié)冰海域，遠(yuǎn)洋漁船冬季冰區(qū)航行的結(jié)構(gòu)安全性研究有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)于船舶冰區(qū)加強(qiáng)，目前以下三種規(guī)范占據(jù)主要地位［2］，分別是芬蘭和瑞典海事局(FMA＆SMA)制定的《芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)則》(FSICR)、國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)IACS極地冰級(jí)規(guī)范(Polar UR)和俄羅斯船級(jí)社冰級(jí)規(guī)范(RMRS)。另外，許多主要船級(jí)社如挪威船級(jí)社、德國(guó)勞氏船級(jí)社、美國(guó)船級(jí)社、法國(guó)船級(jí)社及中國(guó)船級(jí)社，等，也頒布了針對(duì)各自航區(qū)的入級(jí)檢驗(yàn)規(guī)則。除俄羅斯船級(jí)社外，其余各船級(jí)社冰區(qū)加強(qiáng)規(guī)范(當(dāng)年冰)均納入該規(guī)則要求。各海域的浮冰形成階段分為:初生冰—冰皮—尼羅冰—蓮葉冰—灰冰、白冰、灰白冰—1年冰—老冰［3］。按不同的冰況，《芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)則》(FSICR)將航行冰區(qū)加強(qiáng)分為6個(gè)等級(jí)［4］:最嚴(yán)重(ice class IA Super)、嚴(yán)重(ice class IA)、中等(ice class IB)、輕度(ice class IC)、除大塊固定冰以外的漂流浮冰(ice classⅡ)、除以上5種情況(ice classⅢ)。漁船捕撈有放網(wǎng)和起網(wǎng)等海水中的作業(yè)，當(dāng)海水結(jié)冰影響漁船的作業(yè)時(shí)，漁船的捕撈會(huì)因海面結(jié)冰停止，所以對(duì)于具有特殊作業(yè)工況的漁船冰區(qū)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)需要進(jìn)行更深入的研究，確定出適合漁船的冰區(qū)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)要求。

1 漁船及主要參數(shù)介紹

1．1 漁船基本情況

該漁船入籍法國(guó)BV船級(jí)社，需要滿足ID級(jí)冰區(qū)加強(qiáng)要求，可在里海除冬季冰封期外的時(shí)間晝夜工作，用于捕撈鯡魚、鱘魚和其他雜魚。捕撈鯡魚采用光誘吸魚管和或錐形網(wǎng)吸捕方式，捕撈鱘魚采用延繩釣捕方式，捕撈其他雜魚可采用小艇布網(wǎng)攔捕方式。除延繩釣作業(yè)外其他作業(yè)過程中利用拋錨固定船。采用橫骨架式、鋼質(zhì)、單甲板、中段雙底、后甲板室、艉機(jī)型、單柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)、單槳及單舵的設(shè)計(jì)。艉部線型采用寬整甲板面、圓角隅直艉封板及轂前球艉;艏部線型采用大外飄、前傾艏柱及SV型球艏。

1．2 漁船主要尺度和參數(shù)

漁船的主要尺度和參數(shù)見表1。

2 冰區(qū)結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算

2．1 FSICR、BV和CCS規(guī)范冰極對(duì)照

幾種規(guī)范的冰級(jí)對(duì)照見表2。

表1 漁船的主要尺度和參數(shù)

表2 規(guī)范冰級(jí)對(duì)照表

2．2 冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域劃分

冰區(qū)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)分析，首先要確定加強(qiáng)范圍，由表2可見，CCS規(guī)范B級(jí)冰區(qū)要求和BV規(guī)范ID級(jí)冰區(qū)要求都對(duì)應(yīng)FSICR中的Ⅱ級(jí)要求，F(xiàn)SICR規(guī)則Ⅱ級(jí)冰區(qū)加強(qiáng)范圍見圖1陰影部分。

圖1 艏部冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域

2．3 按BV船級(jí)社規(guī)范計(jì)算并優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)BV規(guī)范［5］ID級(jí)冰區(qū)加強(qiáng)要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，共有4種方案，計(jì)算得出冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域外板和結(jié)構(gòu)重量，見表3。

2．4 按CCS鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范計(jì)算

漁船航行的冰區(qū)，是指沒有大的固定冰塊而僅有漂流浮冰的冰區(qū)，屬于最輕度的冰況［6］。該船按CCS鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［7］計(jì)算的板厚和結(jié)構(gòu)規(guī)格重量見表4。

表3 根據(jù)BV規(guī)范計(jì)算的結(jié)構(gòu)重量

表4 根據(jù)CCS規(guī)范計(jì)算的結(jié)構(gòu)重量

3 冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)直接計(jì)算

為獲得更加直觀的結(jié)果，清楚觀察到受冰壓力影響較大的結(jié)構(gòu)，同時(shí)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料的選擇是否合理，建立有限元模型進(jìn)行直接計(jì)算。

3．1 冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域模型

選取按BV規(guī)范設(shè)計(jì)的方案二進(jìn)行直接計(jì)算，應(yīng)用ABAQUS軟件建立冰區(qū)區(qū)域有限元模型，進(jìn)行靜力分析。由于甲板艙口比較小，不影響冰區(qū)強(qiáng)度的校核，省略了對(duì)甲板開孔的處理。

載荷有甲板壓力、舷側(cè)水壓力、波浪中垂壓力、波浪中拱壓力及舷側(cè)冰壓力，等［8］。模型邊界為該區(qū)域從整個(gè)船體結(jié)構(gòu)截出的截?cái)嗝?，將截?cái)嗝嫔系母鬟吔?個(gè)方向位移固定。考慮到計(jì)算精度，采用四邊形網(wǎng)格，單元的邊長(zhǎng)為50 mm。

3．2 計(jì)算結(jié)果

直接計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 加強(qiáng)區(qū)域計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求，受冰壓載荷影響的主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果見圖3～5。

表5為材料強(qiáng)度的利用率。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4．1 經(jīng)濟(jì)性

圖3 外板計(jì)算結(jié)果

圖4 艙壁計(jì)算結(jié)果

圖5 舷側(cè)肋骨計(jì)算結(jié)果

表5 船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度利用率

從表3可以看出，按BV規(guī)范對(duì)該船進(jìn)行艏部冰區(qū)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)計(jì)算，通過變換肋距和采用不同強(qiáng)度的鋼材，計(jì)算出不同的外板厚度和肋骨規(guī)格。這4種方案中舷側(cè)縱桁作為結(jié)構(gòu)加強(qiáng)使用，不參與強(qiáng)度計(jì)算。方案一、三為相同強(qiáng)度的材料，肋距不同;方案二、四亦為相同強(qiáng)度材料，肋距亦不同。相同材料肋距大的外板計(jì)算值大，但冰區(qū)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)重量較輕。有限元直接計(jì)算結(jié)果顯示:主要結(jié)構(gòu)外板處應(yīng)力最大，其次是肋骨，艙壁處應(yīng)力最小。增加外板的厚度是快速提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有效辦法。方案二外板厚度為16 mm，比方案四外板厚度12 mm大，而外板作為承受應(yīng)力較大的結(jié)構(gòu)，方案四需要增加肋骨強(qiáng)度來彌補(bǔ)外板厚度的減少，肋骨增加的重量大大地多余外板減少的重量.方案二比方案四總重量減少約1 t，比方案一減輕了18%。采用方案二，減少鋼料重量的同時(shí)增加了裝載量，提高了船舶使用的經(jīng)濟(jì)性。

4．2 工藝性

方案中肋骨間距有275 mm和550 mm兩種，肋骨間距取275 mm時(shí)，相對(duì)于550 mm肋距增加一根肋骨的同時(shí)，還要增加焊縫。方案一的外板厚19 mm，而非冰區(qū)加強(qiáng)外板厚度為10 mm，冰區(qū)加強(qiáng)外板難以與周圍外板銜接，需要中間厚度的鋼板過渡，還需要開焊接坡口。這些增加了成本，同時(shí)更加大了施工難度。

4．3 規(guī)范要求

分析表4和表5發(fā)現(xiàn)，按CCS規(guī)范的計(jì)算結(jié)果比按BV船級(jí)社規(guī)范計(jì)算的最優(yōu)方案的重量少40%，并且按BV規(guī)范選取的船體鋼料為屈服強(qiáng)度355MPa的高強(qiáng)度鋼?？梢钥闯觯煌?jí)社規(guī)范的內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)不同，所以編制設(shè)計(jì)任務(wù)書時(shí)要根據(jù)船舶航行的區(qū)域或?qū)嶋H工作工況來選擇附加標(biāo)志。此型船入級(jí)BV，由于BV規(guī)范對(duì)于船艏結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的要求IC和ID是相同的，對(duì)于漁船結(jié)構(gòu)冰區(qū)加強(qiáng)這部分沒有特殊考慮，當(dāng)海面有冰層時(shí)漁網(wǎng)無法深入到海水里進(jìn)行捕魚，而選擇這樣的冰區(qū)加強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度冗余。

5 結(jié)束語

漁船不同于商業(yè)運(yùn)輸船舶，大多數(shù)漁船是在海面無冰的情況下進(jìn)行捕撈作業(yè)，當(dāng)海面結(jié)冰時(shí)，撒網(wǎng)困難，會(huì)停止捕撈作業(yè)。這時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的冰區(qū)加強(qiáng)不用有太苛刻的要求，按照最輕度的冰況條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)已經(jīng)足夠。目前商船的冰區(qū)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)研究較多，但對(duì)于有既定捕撈作業(yè)的漁船冰區(qū)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)研究還欠缺，捕撈漁船的結(jié)構(gòu)應(yīng)該如何加強(qiáng)值得繼續(xù)研究，這樣才能得到合理、經(jīng)濟(jì)、安全并舒適的船舶。

在漁船設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員要注意到捕撈漁船與運(yùn)輸船舶的不同之處，建議船東選擇經(jīng)濟(jì)安全的方案;設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)船東的任務(wù)書有不合理的條目時(shí)要及時(shí)給予反饋;各船級(jí)社在研究制定規(guī)范時(shí)應(yīng)注意捕撈漁船與航行船舶的區(qū)別，重視漁船的冰區(qū)加強(qiáng)問題。

［1］徐皓，趙新穎，劉晃，等.我國(guó)海洋漁船發(fā)展策略研究［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2012，39(1):1-5，10.

［2］王浩.我國(guó)冰區(qū)海域散貨船結(jié)構(gòu)安全研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2013.

［3］楊富茗.80 000 DWT散貨船冰區(qū)航行有限元強(qiáng)度分析［D］.大連:大連海事大學(xué)，2012.

［4］FINNISH-SWEDISH ICE CLASS RULES［S］.Finnish＆Swedish Maritime Administration，2010.

［5］BV.Rules for the classification of steel ships.part e-additional Class Notations［S］.2013.

［6］中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部漁船檢驗(yàn)局.鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范1998［S］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

［7］中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范-2012.第2分冊(cè)［S］.北京:人民交通出版社，2012.

［8］BV.Rules for the classification of steel ships.part d-additional class notations［S］.2013.

Ice Region Strengthening Scheme Analysis of the Ocean Fishing Vessel

WANG Jing，YANG Gao-sheng，LI Na
(Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering，Ministry of Agriculture，F(xiàn)ishery Machinery and Instrument Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200092，China)

In order to get safe and economic form of fishing vessel hull structure，the ice strengthening structure is calculated and analyzed according to the BV rules and CCS steel ship classification rules respectively.The lightest steel weight scheme satisfying BV rules is chosen to carry out the FE direct analysis，to get the steel strength utilization.The comparative study on two rules shows that，the ice strengthening of the two rules is widely applicable for different sea areas，but the ice strengthening content do not take into account the unique operations characteristics of fishing vessels.So it is necessary to distinguish the operation condition between merchant ships and the fishing vessels，and choose the appropriate specifications and ice class for the corresponding navigation waters.

ocean fishing vessel;ice strengthening;structure optimization

U674.4

A

1671-7953(2015)02-0024-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.006

2014-11-10

修回日期:2014-12-19

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201003024)

王靖(1985-)，女，碩士，工程師

研究方向:漁船設(shè)計(jì)

E-mail:wangjingjy@126.com