舒 鈺，謝永和，王貴彪

(1浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山，316022；2 浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江 舟山，316021)

舷外起網(wǎng)是漁船的一種特殊作業(yè)工況，包括桁拖漁船、圍網(wǎng)漁船、舷提網(wǎng)作業(yè)漁船等在內(nèi)的多種船型都需要利用吊桿將漁獲從舷外起吊至船上[1]。與常規(guī)起重船不同，漁船必須在海況相對(duì)惡劣的漁區(qū)進(jìn)行起網(wǎng)且無(wú)法調(diào)整自身裝載，給漁船的起網(wǎng)作業(yè)帶來(lái)了很大的危險(xiǎn)。為了保證船體結(jié)構(gòu)和船上作業(yè)人員的安全，根據(jù)秋刀魚(yú)船的實(shí)際作業(yè)工況，對(duì)船舶在起網(wǎng)時(shí)的波浪載荷和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，也可以為該型漁船的研究與優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)意義。中國(guó)對(duì)遠(yuǎn)洋漁船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的直接計(jì)算較少，對(duì)長(zhǎng)度<65 m的漁船甚至不要求計(jì)算總縱強(qiáng)度，因此，目前情況下采用全船有限元分析是對(duì)秋刀魚(yú)船進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算行之有效的方法，而這種方法也被各國(guó)船級(jí)社廣泛采用[2-4]。

以53 m遠(yuǎn)洋秋刀魚(yú)船為研究對(duì)象，通過(guò)定義船型橫傾和加載彎矩的形式模擬船型的起網(wǎng)狀態(tài)，利用SESAM軟件對(duì)船型在典型工況下的起網(wǎng)狀態(tài)和正常航態(tài)進(jìn)行波浪載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，并利用設(shè)計(jì)波法對(duì)船型在同工況下的起網(wǎng)與不起網(wǎng)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比與分析。

1 船型概況

目標(biāo)船型為鋼質(zhì)、單甲板、雙層底、單機(jī)、單槳、橫骨架式結(jié)構(gòu)、艉機(jī)型的秋刀魚(yú)船，作業(yè)海域?yàn)槲鞅碧窖螅鳂I(yè)方式為光誘舷提網(wǎng)作業(yè)[5-6]。其主要尺度為：總長(zhǎng)(LOA)53 m；設(shè)計(jì)吃水(d)3.3 m；垂線間長(zhǎng)(Lpp)44.30 m；方形系數(shù)(Cb)0.725 6；型寬(B)8.00 m；型深(D)4.00 m；設(shè)計(jì)排水量(△)878.60 t；設(shè)計(jì)航速(v)12 kn。根據(jù)《遠(yuǎn)洋漁船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2019)》[7]，結(jié)合《國(guó)內(nèi)海洋漁船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2019)》[8]相關(guān)內(nèi)容，選取捕魚(yú)中和豐收返港兩種工況作為計(jì)算漁船起網(wǎng)工況的裝載情況(表1)。

表1 裝載工況主要參數(shù)

2 波浪載荷計(jì)算

2.1 水動(dòng)力模型及參數(shù)設(shè)置

計(jì)算浪向角為0°～180°，選取13個(gè)浪向角，其間隔為15°。頻率在0.2～2.0 rad/s的范圍內(nèi)選取，步長(zhǎng)取0.05，共37個(gè)。通過(guò)定義不同的橫傾角模擬船型起網(wǎng)時(shí)船型的狀態(tài)，分析兩種裝載情況下起網(wǎng)和不起網(wǎng)對(duì)船體波浪載荷的影響。應(yīng)用船體外板的結(jié)構(gòu)有限元模型網(wǎng)格，截取水線以下船體外表面為濕表面，以此作為水動(dòng)力計(jì)算單元，去除模型中的梁?jiǎn)卧笊伤畡?dòng)力濕表面模型[9-11](圖1)。

圖1 濕表面模型

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)船型的作業(yè)海域，利用西北太平洋波浪散布圖[12]對(duì)船型在垂直波浪彎矩和扭矩兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，分析本船型在捕魚(yú)中和豐收返港兩種工況下起網(wǎng)和不起網(wǎng)狀態(tài)對(duì)于船體波浪外載荷的影響。圖2和圖3為在超越概率水平10-8下垂直波浪彎矩和扭矩值沿船長(zhǎng)的分布情況。由圖2可知，這是該船在中拱狀態(tài)下的垂向波浪彎矩沿船長(zhǎng)的分布曲線，且滿(mǎn)載時(shí)仍處于中拱狀態(tài)，說(shuō)明漁獲質(zhì)量仍低于中部排水質(zhì)量，可以考慮在此設(shè)置壓載艙室；無(wú)論是否起網(wǎng)，豐收返港工況下的垂直波浪彎矩均比捕魚(yú)中工況大，且最大值均出現(xiàn)在船中附近，這與船級(jí)社規(guī)范中沿船長(zhǎng)的垂向波浪彎矩分布趨勢(shì)相同[13]。起網(wǎng)狀態(tài)的波浪彎矩較不起網(wǎng)狀態(tài)的彎矩大，且捕魚(yú)中工況的兩種狀態(tài)相對(duì)差值比豐收返港工況大。由圖3可知，在105°浪向時(shí)，豐收返港工況的扭矩較捕魚(yú)中工況大，扭矩在1/4L(L表示船長(zhǎng))和3/4L附近處出現(xiàn)了極大值，且在3/4L附近處為最大值，同時(shí)捕魚(yú)中工況扭矩的兩個(gè)波峰比豐收返港工況的波峰更靠近船中。這與最大扭矩出現(xiàn)在離船首或船尾約1/4L到1/3L處的結(jié)論一致，且由于浪向角為105°，為首斜浪，最大扭矩應(yīng)出現(xiàn)在近船首處[14]，這與圖3中最大扭矩出現(xiàn)在3/4L附近處的結(jié)論相同，因此可以認(rèn)為圖3的結(jié)論是可信的。

圖2 迎浪時(shí)船體剖面垂向波浪彎矩分布

圖3 105°浪向時(shí)船體剖面扭矩分布

圖4和圖5分別為垂直波浪彎矩和扭矩在不同浪向的分布情況。由圖4可知，各工況下垂直波浪彎矩在浪向?yàn)?80°時(shí)最大，且豐收返港工況在30°～180°浪向內(nèi)的彎矩值均比捕魚(yú)工況大，而在0°～30°浪向內(nèi)的彎矩值比捕魚(yú)工況小。此外，豐收返港工況下，不起網(wǎng)狀態(tài)下垂直波浪彎矩值均比起網(wǎng)狀態(tài)下大，而在捕魚(yú)中工況下，在絕大部分浪向角下(除15°～55°浪向角)，不起網(wǎng)狀態(tài)下的垂直波浪彎矩值卻比起網(wǎng)狀態(tài)下小；而且還可以看出，垂向波浪彎矩在迎浪和順浪時(shí)較大，并隨浪向趨近橫浪時(shí)逐漸減少[15]，這是符合實(shí)際的。然而與之不同的是，浪向在尾斜浪和橫浪范圍內(nèi)多了一個(gè)先增大后減少的過(guò)程，這可能與這種船型的特殊性及布置方式有關(guān)。

圖4 垂直波浪彎矩在不同浪向的分布

圖5所示，在扭矩方面，豐收返港工況下的扭矩較捕魚(yú)中工況大，且扭矩在105°左右浪向時(shí)以單峰形式出現(xiàn)最大值，說(shuō)明本船滿(mǎn)載時(shí)在橫浪航行時(shí)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題更嚴(yán)重；而捕魚(yú)工況則在浪向?yàn)?0°和120°附近以雙峰形式出現(xiàn)極大值，說(shuō)明捕魚(yú)中工況下本船在斜浪航行時(shí)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題更嚴(yán)重[16]。同時(shí)，豐收返港起網(wǎng)狀態(tài)的扭矩值較不起網(wǎng)狀態(tài)的扭矩值大，兩種狀態(tài)扭矩的差值在靠近0°和180°浪向時(shí)出現(xiàn)較大值；而在捕魚(yú)中工況中起網(wǎng)狀態(tài)的扭矩值反而比不起網(wǎng)狀態(tài)小，兩者扭矩差值的最大值出現(xiàn)在90°浪向附近。

3 全船有限元強(qiáng)度計(jì)算

3.1 全船結(jié)構(gòu)模型

作為一種分析船舶結(jié)構(gòu)的重要方法，有限元分析的發(fā)展也越來(lái)越完善，相關(guān)軟件如Sesam、Patran、Ansys等也越來(lái)越多。通過(guò)建立全船結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行全船有限元分析來(lái)了解船體的受力和變形情況[17]。根據(jù)船型的相關(guān)圖紙采用笛卡爾直角坐標(biāo)系建立秋刀魚(yú)船整船三維結(jié)構(gòu)有限元模型(圖6)，其原點(diǎn)位于舵桿中心線與基線的交線上，x軸正向?yàn)榇追较?，y軸正向?yàn)樽笙?，z軸正向則為沿型深向上[18]。船型結(jié)構(gòu)中外板、甲板等板殼以及肋板、強(qiáng)構(gòu)件的面板與腹板采用板單元模擬，而肋骨、扶強(qiáng)材等則采用梁?jiǎn)卧M，并對(duì)船型內(nèi)小開(kāi)口、肘板等進(jìn)行簡(jiǎn)化或忽略處理[19-20]。

圖6 全船模型

3.2 計(jì)算工況及邊界條件

為比較該船型在起網(wǎng)與不起網(wǎng)狀態(tài)下整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化情況，以豐收返港為例，根據(jù)本船實(shí)際作業(yè)海域，利用設(shè)計(jì)波法對(duì)兩種情況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，選取對(duì)船型響應(yīng)影響最大的波浪，設(shè)計(jì)波參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各裝載狀態(tài)設(shè)計(jì)波參數(shù)

各艙室的裝載依據(jù)《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》[21]的有關(guān)要求進(jìn)行定義，船型舷外起網(wǎng)的載荷則直接以彎矩的形式加載至模型對(duì)應(yīng)區(qū)域。邊界條件則按照《鋼質(zhì)海船入級(jí)建造規(guī)范(2018)》[22]的有關(guān)要求確定。

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 總縱強(qiáng)度

根據(jù)選取的工況和對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)波參數(shù)，利用SESTRA模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。圖7是豐收返港不起網(wǎng)工況下的相關(guān)應(yīng)力云圖與變形云圖(LC01)，圖8是對(duì)應(yīng)起網(wǎng)工況下的應(yīng)力云圖和變形云圖(LC03)。

圖7 豐收返港不起網(wǎng)工況

圖8 豐收返港起網(wǎng)工況

豐收返港工況下，浪向?yàn)?80°時(shí)，船中具有最大的垂直波浪彎矩。在該設(shè)計(jì)波作用下，從圖7A和圖8A可以看出，船體各部分應(yīng)力分布均較為均勻，整體強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。從圖7(B、C)和圖8(B、C)可以看出，在變形方面，不起網(wǎng)時(shí)船體變形最大處位于船型中尾部，左右舷的變形情況基本一致；起網(wǎng)時(shí)船體外殼和主甲板變形都表現(xiàn)為右舷的變形量明顯大于左舷，且最大變形量都大于不起網(wǎng)工況。

3.3.2 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

圖9是LC02對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)波參數(shù)下的全船應(yīng)力云圖和相關(guān)變形云圖，圖10是LC04對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)波參數(shù)下的全船應(yīng)力云圖和相關(guān)變形云圖。在浪向?yàn)?05°時(shí)，船長(zhǎng)3/4 L處具有最大的波浪扭矩。在該斜浪的作用下，整船應(yīng)力均勻，未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。而在波浪扭轉(zhuǎn)載荷的作用下，整船變形最大的區(qū)域位于船首舷墻和駕駛室上，并分別向z軸負(fù)方向減小，在球艏區(qū)域變形為最?。欢谥骷装遄冃紊?，右舷大于左舷而船首大于船尾，并在船尾船中處達(dá)到最小。

2013年是無(wú)錫金利達(dá)生態(tài)科技有限公司發(fā)展的關(guān)鍵之年，省級(jí)院士工作站、水生態(tài)修復(fù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院及省級(jí)工程技術(shù)中心等籌建工作有序進(jìn)行，為公司科技高層次快速發(fā)展打下了組織基礎(chǔ)。展望2014年，我們豪情滿(mǎn)懷，信心百倍。金利達(dá)公司將順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，在生態(tài)環(huán)境工程領(lǐng)域上下求索，竭盡全力，為祖國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

圖9 豐收返港不起網(wǎng)工況

圖10 豐收返港起網(wǎng)工況

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 總縱強(qiáng)度工況分析

在總縱強(qiáng)度方面，船體各部分應(yīng)力分布均較為均勻。豐收返港起網(wǎng)工況中的船體外殼和甲板變形量基本大于不起網(wǎng)工況中變形量。船體外殼和主甲板變形量最大處位于船舶中尾部，這是與漁船的機(jī)械設(shè)備設(shè)置在中尾部有關(guān)。從左右舷的變形來(lái)看，起網(wǎng)時(shí)右舷的變形明顯大于左舷，這是因?yàn)槠鹁W(wǎng)時(shí)漁船有嚴(yán)重的左傾，導(dǎo)致右舷的變形量急劇增加，而不起網(wǎng)工況下左右舷的變形量基本相同，且大于起網(wǎng)狀態(tài)下左舷的變形而小于起網(wǎng)時(shí)右舷的變形量。從甲板變形來(lái)看，不起網(wǎng)狀態(tài)下甲板變形大的區(qū)域集中在中尾部，起網(wǎng)狀態(tài)下由于漁船左傾使得靠近右舷的甲板的變形量明顯增大。頻繁的變形容易導(dǎo)致疲勞破壞，縮短船舶正常的使用壽命，由此可見(jiàn)，船舶起網(wǎng)工況中橫傾所引起的船舶變形是該型漁船設(shè)計(jì)中一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。

3.4.2 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度工況分析

在扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度方面，全船各部分的應(yīng)力仍然比較均勻。豐收返港起網(wǎng)工況下全船的變形量明顯大于不起網(wǎng)工況，主甲板的變形有著從尾向首、從中部向兩舷不斷增加的趨勢(shì)，且不起網(wǎng)工況下右舷的變形量較左舷的偏大。計(jì)算結(jié)果表明：整船變形最大的區(qū)域位于船首舷墻和駕駛室上，并分別向z軸負(fù)方向減小。這是因?yàn)榇紫蠅婉{駛室離扭轉(zhuǎn)中心的距離最遠(yuǎn)，而扭矩在各個(gè)位置產(chǎn)生的應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)中心的距離成正比，故這些位置的危險(xiǎn)性自然也最大[23]，在進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注這些區(qū)域，必要時(shí)可做增加板厚等相應(yīng)措施。在球艏區(qū)域變形為最小，這與球艏減阻的作用一致。在主甲板變形上，無(wú)論是否起網(wǎng)，漁船右舷的變形量都大于左舷，起網(wǎng)工況下主要是由于船舶左傾導(dǎo)致的，不起網(wǎng)工況下是由該船的裝載方式引起的。另外，船首變形量大于船尾，并在船尾船中處達(dá)到最小，這與船舶在橫浪中航行時(shí)，在船首附近的主甲板應(yīng)力最大的結(jié)論一致[24]。

本研究利用SESAM軟件對(duì)秋刀魚(yú)船進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，通過(guò)全船有限元分析(建立全船有限元模型，正確施加設(shè)計(jì)彎矩和載荷)得到了相關(guān)工況下的應(yīng)力云圖和變形云圖，與傳統(tǒng)采用梁理論的方法(把船體簡(jiǎn)化為工程梁，通過(guò)計(jì)算船體梁的剖面模數(shù)和利用該位置的設(shè)計(jì)彎矩計(jì)算船體總縱強(qiáng)度彎曲應(yīng)力)[25]相比，優(yōu)勢(shì)在于能夠模擬各種幾何形狀復(fù)雜的船舶結(jié)構(gòu)，了解各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力與變形情況并找到應(yīng)力集中區(qū)域，從數(shù)據(jù)和圖像兩方面對(duì)漁船強(qiáng)度進(jìn)行校核，比較直觀準(zhǔn)確。缺點(diǎn)在于建模的工作量很大以及精確度浮動(dòng)性比較大，這基于個(gè)人建模的水平和邊界條件、載荷工況的模擬是否真實(shí)等等。另外，本研究只分析了豐收返港的相關(guān)工況，在捕魚(yú)工況下是否有著相同規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

利用DNV SESAM軟件，通過(guò)定義船型橫傾角以及在模型中適當(dāng)位置施加彎矩的形式模擬了漁船舷外起網(wǎng)的狀態(tài)，分析了秋刀魚(yú)船在捕魚(yú)中和豐收返港兩種工況下舷外是否起網(wǎng)對(duì)船體波浪外載荷的影響，驗(yàn)證了垂直波浪彎矩和波浪扭矩與船長(zhǎng)(浪向)之間的相關(guān)規(guī)律的準(zhǔn)確性。同時(shí)利用有限元軟件對(duì)長(zhǎng)度<65 m的秋刀漁船進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，得到了對(duì)應(yīng)工況下全船大致的應(yīng)力分布范圍與變形情況。本研究可為漁船設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核提供一定參考：在該型漁船設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別考慮漁船在橫浪和斜浪中航行的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題；對(duì)于變形量增大的右舷甲板(漁船橫傾引起)、遠(yuǎn)離扭轉(zhuǎn)中心的船艏舷墻和駕駛室等部位應(yīng)做適當(dāng)加強(qiáng)。

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