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(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究很有必要。早期研究將船體簡(jiǎn)化為梁來計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，雖然計(jì)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(jì)算船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已被船舶設(shè)計(jì)研究所和船級(jí)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(duì)漁船特別是秋刀魚漁船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的直接計(jì)算很少?！朵撡|(zhì)遠(yuǎn)洋漁船建造規(guī)范》[13]中對(duì)大于65 m的船才要求計(jì)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(jiǎn)單地用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。全船有限元分析方法就是將整個(gè)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(jì)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(jì)算，來評(píng)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(jì)同類漁船時(shí)加以關(guān)注，為相關(guān)漁船設(shè)計(jì)提供參考。

1 秋刀魚漁船與有限元計(jì)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(chǔ)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(gè)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(shí)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(cè)到魚群時(shí)，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(shí)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(jì)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?jiǎn)卧獊砟M，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(jì)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(jì)波工況

設(shè)計(jì)波法是在船舶作業(yè)時(shí)用所處位置最危險(xiǎn)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(jì)算全船有限元，此時(shí)認(rèn)為船舶在該條件下航行最嚴(yán)峻。如果此時(shí)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(jì)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(jì)[24]，設(shè)計(jì)波參數(shù)見表3。

表3 設(shè)計(jì)波參數(shù)

1.2.4 邊界條件

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)船體施加約束來限制其位移。邊界條件施加按照中國船級(jí)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(duì)整船進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算后進(jìn)行結(jié)果分析時(shí)，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(duì)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(jí)社(CCS)A級(jí)和E級(jí)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(jí)鋼只用在凍結(jié)間的一部分甲板，其余為A級(jí)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(jì)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(gè)端點(diǎn)處、駕駛室前艙壁和主甲板相連接的兩個(gè)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(jì)船舶時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注這些應(yīng)力集中區(qū)域，必要時(shí)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(jì)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(gè)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(shí)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(jì)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(gè)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(jì)算結(jié)果可為秋刀魚漁船提供一定的設(shè)計(jì)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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