桁拖漁船錨系泊支撐結(jié)構(gòu)強度分析與研究

王貴彪 ，張海波 ，崔雪亮 ，李國強

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

中國漁船數(shù)量眾多，但其產(chǎn)業(yè)邊緣化、行業(yè)科技力量不足，導(dǎo)致其科研水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于一般商船[1-3]。錨系泊設(shè)備作為漁船重要的機械設(shè)備之一，其性能直接影響漁船的生產(chǎn)作業(yè)安全[4-5]。目前，對散貨船、油船等諸多船型錨系泊支撐結(jié)構(gòu)的強度分析已較為成熟[6-14]，為漁船的錨系泊結(jié)構(gòu)強度計算提供了依據(jù)。而漁船的甲板主要用于調(diào)整網(wǎng)具和整理魚獲[15]，可用于錨系泊的空間較小，致使錨系泊系統(tǒng)也有別于一般商船。同時，隨著近海漁業(yè)資源的枯竭[16-18]，漁船作業(yè)海域逐步外涉，桁桿拖網(wǎng)的規(guī)格、沉浮力及鋼索的配置不斷增大[19]，船型錨系泊時受到的風(fēng)、浪、流等載荷亦不斷增大[20]，其支撐結(jié)構(gòu)強度需滿足更高的要求。因此，需要針對漁船錨系泊的特點，對其支撐結(jié)構(gòu)的強度進(jìn)行計算與研究，為漁船錨系泊系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

本研究以近海某桁拖漁船為例，該船總長38 m，型寬5.80 m，型深3.20 m，利用MSC.PATRAN軟件建立其首、尾錨系泊支撐結(jié)構(gòu)模型，參照《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(以下簡稱入級規(guī)范[21])和《鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范》(以下簡稱建造規(guī)范[22])，并結(jié)合桁拖漁船的實際作業(yè)情況，對錨系泊支撐結(jié)構(gòu)的強度進(jìn)行計算，分析不同系泊角度對結(jié)構(gòu)強度的影響，以便能夠為漁船設(shè)計和實際錨系泊作業(yè)提供參考。

1 有限元模型

1.1 桁拖漁船船型錨系泊布置概況

漁船甲板的可利用空間有限，其系泊帶纜樁一般設(shè)置在舷墻上，并與主甲板牢固焊接，且不設(shè)置導(dǎo)纜滾輪及導(dǎo)纜孔，全船首、中、尾共設(shè)置6個帶纜樁，系泊布置如圖1所示。

圖1 桁拖漁船錨系泊布置Fig.1 Anchor and mooring arrangement of beam trawl

而其錨泊系統(tǒng)也有別于一般船型，由起網(wǎng)機兼做錨機，拋錨時將鋼絲繩系于船首中部的帶纜樁，錨泊布置及錨鏈走向如圖2所示。

圖2 錨鏈走向示意圖Fig.2 Diagram of anchor chain trend

1.2 結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)船型相應(yīng)的圖紙，建立結(jié)構(gòu)有限元模型，其中，船中和船尾帶纜樁受力情況與結(jié)構(gòu)布置情況類似，故只對船中和船首的錨系泊結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。模型采用右手坐標(biāo)系建立：X軸沿船長向船首為正方向；Y軸向船寬向左舷為正方向；Z軸沿型深垂直向上為正方向。同時，對帶纜樁附近網(wǎng)格單元進(jìn)行細(xì)化處理，細(xì)化網(wǎng)格邊長約為85 mm×85 mm。有限元模型如圖3和圖4所示。

1.3 材料屬性

該船型結(jié)構(gòu)均采用CCS A級鋼材，其彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比為0.30，材料屈服強度為235 MPa，密度為7.85×10-9t/mm3。

2 載荷工況

根據(jù)樣本船型的舾裝數(shù)及建造規(guī)范[22]，查得該船錨鏈和系船索的破斷負(fù)荷分別為127 kN和49 kN。由于漁船錨泊時鋼絲繩系泊于船首中部的帶纜樁上，故其安全系數(shù)參照入級規(guī)范[21]中系泊情況取為1.25，對應(yīng)的載荷則分別為158.75 kN和61.25 kN。

2.1 錨泊工況

由于船上可利用空間有限，漁船錨機一般由起網(wǎng)機兼做且不設(shè)置摯鏈器，拋錨時將與錨鏈連接的鋼絲繩直接系在船首正中的纜樁上。錨泊時鋼絲繩與水平方向夾角為5°，與中縱剖面夾角為4°。故將其破斷載荷通過式(1)分解并加載到帶纜樁對應(yīng)的MPC節(jié)點上。

FX=f×cosα×cosβ

FY=f×cosα×sinβ

FZ=fsinβ

(1)

式中：f—破斷載荷，N；α—纜繩與水平方向的夾角，°；β—纜繩與中縱剖面的夾角，°。

圖3 船首錨系泊結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Model of anchor and mooring structure of bow

圖4 船中系泊結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Model of mooring structure of midship

2.2 系泊工況

由于漁船未設(shè)置導(dǎo)纜滾輪，系泊纜繩的角度不是固定不變的，為研究系泊角度對系泊支撐結(jié)構(gòu)強度的影響，本文選取系泊纜繩與水平面夾角α為0°、20°、40°、60°，與中縱剖面夾角β為90°、70°、50°、30°、10°等20種工況來計算系泊結(jié)構(gòu)的強度，并通過式(1)分解。表1為不同系泊工況下的破斷載荷。

2.3 漁撈輔助工況

除正常的系泊外，桁拖漁船船中和尾部的帶纜樁還具有起漁獲時固定桁拖桿的作用，載荷方向為垂直向下。根據(jù)攜帶的漁具資料，該船型桁拖桿、沉浮子等質(zhì)量約為3.2 t，故船中、船尾帶纜樁所受載荷均為15 680 N，方向豎直向下。

3 邊界條件及許用應(yīng)力

3.1 邊界條件設(shè)置

根據(jù)入級規(guī)范要求，支撐結(jié)構(gòu)的端部和模型下端限制平動3個自由度，而船中系泊結(jié)構(gòu)模型由于船型的對稱性，在模型中縱剖面的節(jié)點處設(shè)置對稱邊界條件。

3.2 許用應(yīng)力

根據(jù)入級規(guī)范，板單元相當(dāng)應(yīng)力的許用應(yīng)力為235 MPa，單元剪切應(yīng)力許用值為141 MPa，而梁單元的許用應(yīng)力為235 MPa。

表1 不同系泊工況下的破斷載荷Tab.1 Breaking load under different mooring conditions

4 結(jié)果與分析

4.1 不同系泊角度對支撐結(jié)構(gòu)強度的影響

首先以船中模型為研究對象，利用MSC.NASTRAN軟件對不同系泊角度的系泊支撐結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行計算，以確定漁船系泊最危險的角度，圖5為計算結(jié)果。圖中，橫坐標(biāo)為系泊纜繩與中縱剖面的夾角，而縱坐標(biāo)為對應(yīng)模型相當(dāng)應(yīng)力的最大值。

圖5 不同系泊角度對結(jié)構(gòu)強度影響Fig.5 Effect of different mooring angles on structural strength

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著與中縱剖面角度的不斷增大，不同系泊水平角度對應(yīng)的應(yīng)力基本呈增大趨勢，但隨著水平角度的加大，增大趨勢逐漸減緩。在水平夾角α=60°時，不同中縱剖面夾角下，船體的應(yīng)力已無明顯增大。當(dāng)系泊纜繩與中縱剖面夾角大于40°時，船體應(yīng)力隨著水平角度的減小而不斷增大；而在β=10°時，隨著水平角度的不斷減小，應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；當(dāng)系泊纜繩與水平夾角為0°，而與中剖面夾角為90°時，結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力達(dá)到最大。因此，在實際漁船系泊中，應(yīng)盡量避免這種情況的出現(xiàn)，從而降低系泊帶纜樁處的應(yīng)力，減小對應(yīng)結(jié)構(gòu)的損傷，提高其使用壽命。

圖6和圖7分別為中縱剖面夾角β=10°和90°時，不同水平夾角α下模型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。從中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)β角較小時，隨著α角的增大，正應(yīng)力范圍逐漸向帶纜樁方向減小，而最大正應(yīng)力則不斷增大；而當(dāng)β角較大時，正應(yīng)力范圍基本無變化，但隨著α角的增大，最大正應(yīng)力不斷減小。船型在系泊時，應(yīng)力主要集中在帶纜樁、舷墻及舷墻縱桁上，而主甲板上的應(yīng)力較小。因此，在主甲板帶纜樁下方無須參照一般商船進(jìn)行加強設(shè)計，其結(jié)構(gòu)也能滿足規(guī)范要求。

圖6 β=10°時不同水平夾角下模型應(yīng)力云圖Fig.6 Nephogram of model stress at different horizontal angles when β=10°

圖7 β=90°時不同水平夾角下模型應(yīng)力云圖Fig.7 Nephogram of model stress at different horizontal angles when β=90°

4.2 錨系泊支撐結(jié)構(gòu)強度計算

根據(jù)上文的計算結(jié)果，將錨泊、漁撈輔助工況以及應(yīng)力最大的系泊工況加載至對應(yīng)模型，并進(jìn)行強度計算分析，各工況下應(yīng)力結(jié)果見表2，各工況下的變形及應(yīng)力分布云圖見圖8、圖9。由表2可知，本船型的錨系泊支撐結(jié)構(gòu)強度均滿足入級規(guī)范要求，且錨泊工況的應(yīng)力及變形最大，漁撈輔助工況最小。

表2 應(yīng)力計算結(jié)果Tab.2 Results of stress calculation

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，在系泊工況下，離帶纜樁越近的結(jié)構(gòu)，其變形量也越大，最大點均位于帶纜樁上，但舷墻與主甲板交界處幾乎不存在變形；在錨泊工況時，變形最大處亦位于帶纜樁上，且?guī)Ю|樁前端主甲板的應(yīng)力明顯小于其后端；而漁撈輔助工況時，變形最大的區(qū)域則位于舷墻、主甲板與帶纜樁的連接處，但其本身的整體變形卻保持一致。

由圖9發(fā)現(xiàn)，系泊工況構(gòu)件的應(yīng)力主要集中在舷墻以及舷墻縱桁區(qū)域，且舷墻上方的結(jié)構(gòu)應(yīng)力明顯大于舷墻下方；而漁撈輔助工況應(yīng)力在舷墻及舷墻縱桁上的分布較為均勻。鑒于漁船靠泊、碰撞以及起升桁拖桿等較為頻繁，可在首部舷墻以及帶纜樁區(qū)域的舷墻增設(shè)舷墻縱桁以加強其結(jié)構(gòu)；而在錨泊工況時，應(yīng)力主要集中于帶纜樁下方的甲板及甲板縱桁上，設(shè)計時可在其下方采用增設(shè)強橫梁或肘板等措施加強，以保證錨泊時船型的結(jié)構(gòu)強度。

圖8 模型變形云圖Fig.8 Deformation of model

圖9 模型正應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram of model

5 結(jié)論

參照中國船級社(CCS)相關(guān)規(guī)范并結(jié)合桁拖漁船實際作業(yè)情況，利用MSC.PATRAN軟件對其錨系泊支撐結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行直接計算，并分析不同系泊角度對漁船結(jié)構(gòu)強度的影響。各工況下桁拖漁船錨系泊支撐的結(jié)構(gòu)強度均滿足入級規(guī)范的要求；各工況下，以錨泊工況的正應(yīng)力最大，以漁撈輔助工況正應(yīng)力最小。不同系泊角度對其支撐結(jié)構(gòu)強度的影響較大，在纜繩與中縱剖面夾角為90°、與水平面夾角為0°時，結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力達(dá)到最大。

□