大型多功能遠(yuǎn)洋漁船全船有限元強度分析

張青敏，謝立新

(上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203)

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大型多功能遠(yuǎn)洋漁船全船有限元強度分析

張青敏，謝立新

(上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203)

大型多功能遠(yuǎn)洋漁船由于其主尺度的特殊性和結(jié)構(gòu)形式的多樣化，我國現(xiàn)行鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范(1998)已不能完全適用于船體構(gòu)件。為保證船體結(jié)構(gòu)在船舶全壽命期內(nèi)更加安全，全船有限元強度分析是很有必要的。以某大型多功能遠(yuǎn)洋秋刀兼魷魚釣船為例，通過載荷預(yù)報軟件計算得到全船有限元分析時需要的波浪載荷，建立其全船結(jié)構(gòu)有限元模型并加載，進(jìn)行全船有限元分析。分析結(jié)果可為漁船優(yōu)化設(shè)計提供參考，對大型多功能遠(yuǎn)洋漁船全船結(jié)構(gòu)強度直接計算具有指導(dǎo)作用。

遠(yuǎn)洋漁船；波浪載荷；有限元分析；數(shù)值分析

0 引言

目前，我國在大型遠(yuǎn)洋秋刀兼魷魚釣船研發(fā)、設(shè)計及制造等方面還處于起步階段。國家發(fā)布的《船舶工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》已明確提出“抓緊研制適合我國遠(yuǎn)洋漁業(yè)生產(chǎn)的高性能遠(yuǎn)洋漁船”，并以船型開發(fā)為依托，突破設(shè)計建造關(guān)鍵技術(shù)，開展核心配套設(shè)備研制，形成自主研發(fā)和建造能力，因此，有必要加快開展多功能遠(yuǎn)洋秋刀兼魷魚釣船的研發(fā)設(shè)計的步伐。

同時現(xiàn)代遠(yuǎn)洋漁船日趨大型化，無論從船型還是結(jié)構(gòu)特點來看，都有向國際商船看齊的趨勢，但是我國現(xiàn)行漁船建造規(guī)范沒有及時更新完善，從結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范方面來說，已不能完全適應(yīng)現(xiàn)代遠(yuǎn)洋漁船的結(jié)構(gòu)設(shè)計。為保證船體結(jié)構(gòu)在船舶全壽命期內(nèi)更加安全，全船有限元強度分析是很有必要的，分析結(jié)果可為漁船優(yōu)化設(shè)計提供參考[1]，對大型多功能遠(yuǎn)洋漁船全船結(jié)構(gòu)強度直接計算具有指導(dǎo)作用[2]。

在此背景下，參照國際商船規(guī)范及其他運輸船優(yōu)秀研究設(shè)計成果，基于漁船規(guī)范完成了某大型多功能遠(yuǎn)洋秋刀兼魷魚釣船結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，本文以該船為目標(biāo)船，進(jìn)行了全船有限元強度分析。

1 船舶相關(guān)參數(shù)

目標(biāo)船為某大型多功能遠(yuǎn)洋秋刀兼魷魚釣船，主要工作海域為阿根廷、日本海域。主要參數(shù)如下：

總長Loa

77.45 m

垂線船長LPP

67.60 m

計算船長L

67.60 m

型寬B

11.40 m

型深D

7.40 m

結(jié)構(gòu)吃水d

4.60 m

方形系數(shù)Cb

0.677

設(shè)計航速V

14.00 kn

2 水動力載荷計算

水動力載荷計算是全船有限元分析的關(guān)鍵一步，目標(biāo)船水動力載荷計算用法國BV船級社的HYDROSTAR軟件來完成。

2.1 船體外殼面元模型的建立

本船的外殼面元模型原點位于尾垂線水線面處，并保證水線面處有單元節(jié)點，且各單元法向指向舷外。xyz坐標(biāo)中，x軸從船尾指向船首方向，y軸從船中指向左舷方向，z軸從水線面指向主甲板。建立模型時，模型網(wǎng)格過大則計算精度不夠，過小則需要耗費大量的計算時間，因此取為2檔肋骨或縱骨間距。為保證計算結(jié)果的精度，水線面處應(yīng)作為水動力網(wǎng)格的邊界。滿載工況下，濕表面、水線面和干舷模型如圖1所示。

2.2 計算方式和參數(shù)

基于三維勢流理論進(jìn)行水動力分析，水深取為無限水深；計算航速取零；波浪頻率按波長與船長比(λ/L) 范圍的0.2～3選取，即0.5～2.5 rad/s，步長取0.1 rad/s；計算浪向角0°～180°，間隔10°；波浪譜采用P-M波浪譜；波浪散布圖為全球波浪散布圖，其涵蓋了工作區(qū)域的最惡劣海況。

圖1 滿載工況下濕表面、水線面和干舷模型

2.3 計算工況

根據(jù)裝載手冊和散貨船有限元分析的經(jīng)驗，計算如下2個工況：壓載捕魚(無魚貨，燃油70%)和滿載離漁場(魚貨100%，燃油30%)。

按照裝載手冊中該裝載工況下船的質(zhì)量分布在軟件里輸入質(zhì)量分布數(shù)據(jù)，保證浮力與重力的平衡。

2.4 波浪彎矩剪力計算

目前波浪彎矩和剪力計算有2大方法[3]： 國際船級社協(xié)會(IACS)統(tǒng)一的計算式(規(guī)范計算)，各船級社均已采用IACS統(tǒng)一的計算公式；波浪載荷預(yù)報(水動力直接計算)，根據(jù)波浪譜和波浪資料，計算波浪載荷長期預(yù)報值，進(jìn)而得到波浪彎矩剪力的設(shè)計值，計算一般通過相應(yīng)的軟件來實現(xiàn)。

根據(jù)中國船級社(CCS)、英國勞氏船級社(LR)、德國船級社(GL)等船級社規(guī)定，對于船長大于等于65 m的船舶應(yīng)校核其總縱強度，且規(guī)范適用范圍為：L/B>5,B/D<2.5,Cb≥0.6。對于目標(biāo)船，L/B=5.930,B/D=1.541,Cb=0.677，與規(guī)范臨界值比較接近。如果波浪彎矩和剪力用規(guī)范計算，誤差可能會較大，因此除規(guī)范計算外，對目標(biāo)船的波浪彎矩和剪力還采用了水動力直接計算，以便比較。

通過水動力直接計算，可以得到沿船長不同位置的垂向波浪彎矩、剪力的長期統(tǒng)計值，但考慮到本文采用的分析方法是基于線性理論，得到的波浪彎矩和波浪剪力在中拱和中垂時是完全相同的。而實際上由于非線性效應(yīng)，對于中拱狀態(tài)和中垂?fàn)顟B(tài)下波浪彎矩和波浪剪力應(yīng)取不同的設(shè)計值，波浪載荷的直接計算結(jié)果應(yīng)進(jìn)行非線性修正。

波浪彎矩修正方法[4]如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ML為由線性分析得到的垂向波浪彎矩；Mw(cal+)Mw(cal-)為中拱中垂波浪彎矩水動力計算值；Mw(rule+)Mw(rule-)為中拱中垂波浪彎矩規(guī)范計算值；R為Mw(rule+)與Mw(rule-)之間的比值。

波浪剪力修正方法如下：

(4)

(5)

(6)

式中：FL為線性計算的剪力值；Fw(cal+)Fw(cal-)為中拱中垂波浪剪力水動力計算值；Fw(rule+)Fw(rule-)為中拱中垂波浪剪力規(guī)范計算值；K為Fw(rule+)與Fw(rule-)的比值；F1、F2分別為剪力沿船長分布系數(shù)，由圖2確定。

圖2 剪力分布系數(shù)

圖中：A.P.為尾垂線；F.P.為首垂線；X為計算位置距尾垂線的縱向位置，m；L′=Lpp=67.60 m。

取波浪彎矩和剪力的水動力計算最大值與規(guī)范計算值比較，根據(jù)經(jīng)驗，滿載工況下波浪彎矩和剪力計算結(jié)果最大。水動力計算值與規(guī)范計算值對比結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 中拱中垂波浪彎矩對比

圖4 中拱中垂波浪剪力對比

2.5 波浪載荷計算

波浪載荷計算是做全船有限元分析的第一步，參照CCS對礦砂船整船有限元計算(現(xiàn)行暫無漁船的相關(guān)規(guī)范)的一般要求，在某一裝載工況下，需要計算以垂向波浪彎矩、垂向波浪剪力為目標(biāo)參數(shù)下的設(shè)計波。水動力直接計算結(jié)果見表1。

表1 波浪載荷計算工況

根據(jù)上述設(shè)計波參數(shù)，可以通過HYDROSTAR軟件計算出每個設(shè)計波下船體受到的波浪水動壓力，并把波浪載荷文件導(dǎo)入MSC.PATRAN軟件進(jìn)行后續(xù)分析。

3 全船有限元分析

3.1 全船有限元模型

全船有限元分析采用MSC.PATRAN軟件完成。全船有限元模型原點位于尾垂線，x軸從船尾指向船首方向，y軸從船中指向左舷方向，z軸從船底指向主甲板。有限元網(wǎng)格按縱骨或肋骨間距劃分，其模型如圖5所示。

圖5 全船有限元模型

為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，模型重量分布必須精確反映實際重量分布?？沾亓堪摻Y(jié)構(gòu)、甲板敷料、舾裝件、輪機設(shè)備等。通過調(diào)整有限元模型中單元的密度值、施加集中質(zhì)量點等方式使模型重量分布與實際重量分布基本一致。

3.2 計算工況及載荷

每個計算工況需要選取裝載手冊中的裝載工況和相應(yīng)的波浪載荷計算工況，本文選取表1中波浪載荷計算所述的4個工況計算。

船體載荷包含空船自重及慣性力、舷外靜水壓力和波浪水動壓力、貨艙內(nèi)貨物靜壓力和慣性壓力、液艙內(nèi)液體引起的靜水壓力和慣性壓力。其中，空船及貨物液體慣性加速度、波浪水動壓力載荷由HYDROSTAR軟件計算得到，空船重力加速度和舷外靜水壓力在PATRAN軟件里直接施加，貨艙內(nèi)貨物靜壓力和慣性壓力、液艙內(nèi)液體引起的靜水壓力和慣性壓力的施加通過PATRAN軟件的插件實現(xiàn)。

3.3 載荷平衡及邊界條件

在完成加載工作后，船體模型應(yīng)處于動平衡狀態(tài)，此時的外部水壓力應(yīng)與空船自重及慣性力、貨物液體載荷相平衡。若不平衡力超出了誤差允許范圍，將造成計算結(jié)果不準(zhǔn)確。

整船動態(tài)平衡后，計算模型已處于自由動態(tài)平衡狀態(tài)。為消除剛體位移，須對模型施加邊界約束。邊界條件使用慣性釋放方法，因此邊界條件選取的是一個靠近船中的參考點，該點位于船底中縱強框架處。

3.4 計算結(jié)果

參照CCS對礦砂船整船有限元計算的要求，有限元應(yīng)力衡準(zhǔn)如下：

許用相當(dāng)應(yīng)力：[σe]=0.95×235/k,其中k為材料系數(shù)。

各工況應(yīng)力結(jié)果分別如圖6～圖13所示。

圖6 滿載工況(波浪彎矩為目標(biāo)參數(shù))全船相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖7 滿載工況(波浪彎矩為目標(biāo)參數(shù))主船體骨架相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖8 滿載工況(波浪剪力為目標(biāo)參數(shù))全船相當(dāng)應(yīng)力云圖

4 結(jié)論及建議

(1)水動力計算結(jié)果表明，波浪彎矩直接計算的最大值比規(guī)范值高出近10%，而波浪剪力直接計算的最大值比規(guī)范值高出近35%，其峰值區(qū)間要普遍遠(yuǎn)高于規(guī)范值。從波浪彎矩剪力曲線走勢也可以看出，水動力直接計算比規(guī)范計算更接近真實情況。在總縱強度計算中，如果主尺度數(shù)據(jù)與規(guī)范臨界值接近或者超出了規(guī)范適用范圍，用規(guī)范計算波浪彎矩和剪力誤差可能會較大，采用水動力直接計算是有效安全的方法。

圖9 滿載工況(波浪剪力為目標(biāo)參數(shù))主船體骨架相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖10 壓載工況(波浪彎矩為目標(biāo)參數(shù))全船相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖11 壓載工況(波浪彎矩為目標(biāo)參數(shù)) 主船體骨架相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖12 壓載工況(波浪剪力為目標(biāo)參數(shù))全船相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖13 壓載工況(波浪剪力為目標(biāo)參數(shù)) 主船體骨架相當(dāng)應(yīng)力云圖

(2)通過對大型漁船的全船有限元強度分析，得到了目標(biāo)船所有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和相對變形，能直觀地發(fā)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)域，可作為判斷船體總縱強度[5]和部分構(gòu)件局部強度的依據(jù)[2]。

(3)根據(jù)全船有限元計算結(jié)果，同一裝載工況下，以垂向波浪剪力為目標(biāo)參數(shù)的波浪工況比以垂向波浪彎矩為目標(biāo)參數(shù)的波浪工況應(yīng)力水平也要高，說明設(shè)計波的選取計算對全船有限元結(jié)果影響很大。

(4)從全船有限元計算結(jié)果也可以看出，船體大部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求，只有局部少量單元應(yīng)力超標(biāo)。 除了一些應(yīng)力集中和形狀很差的單元應(yīng)力高以外，高應(yīng)力單元主要集中在貨艙舷側(cè)板架。對高應(yīng)力單元區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加強，可以使計算結(jié)果滿足要求。而且以垂向波浪彎矩為目標(biāo)參數(shù)的波浪載荷計算工況下高應(yīng)力單元主要集中在船中貨艙區(qū)域，以垂向波浪剪力為目標(biāo)參數(shù)的波浪工況下高應(yīng)力單元主要集中在首部貨艙區(qū)域。值得注意的是，各工況船體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力單元均在舷側(cè)縱桁與橫艙壁相交的區(qū)域。

(5)相對于散貨船、油船等大型運輸船，漁船屬于小型船，對結(jié)構(gòu)重量會非常敏感。為減少結(jié)構(gòu)重量以提高漁獲物裝載能力，目標(biāo)船首次使用了高強度鋼，對于應(yīng)力較大的舷側(cè)強肋骨和舷側(cè)縱桁配置高強度鋼是有利的。

本文以某大型多功能遠(yuǎn)洋秋刀兼魷魚釣船為例，進(jìn)行了水動力分析和全船有限元強度分析，在漁船的結(jié)構(gòu)安全方面多了一層保障，對大型多功能遠(yuǎn)洋漁船全船結(jié)構(gòu)強度直接計算也具有指導(dǎo)作用。常規(guī)的艙段有限元分析不能涵蓋首、尾、機艙部分，其模型邊界對計算結(jié)果有一定影響，全船有限元分析則解決了這些問題。隨著漁船的日趨大型化，全船有限元分析必不可少。

[1] 亞杰，李范春，劉超，等.漁船穩(wěn)性及整船強度分析[J].大連海事大學(xué)學(xué)報，2011,37(4)：17-24.

[2] 袁俊，陸紅干.40 000 DWT礦砂船直接波浪載荷與全船有限元強度分析[J].船舶設(shè)計通訊，2010(S2)：30-37.

[3] 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊結(jié)構(gòu)分冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[4] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(2014修改通報)[M].北京：人民交通出版社，2014.

[5] 陳慶強，朱勝昌，郭列，等.用整船有限元模型分析方法計算艦船的總縱強度[J].上海造船，2004(1)：69-75.

工信部高技術(shù)船舶科研項目(工信部聯(lián)裝[2012]534號)

2015-07-09

張青敏(1984—)，男，工程師，從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

U661.43

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