遠洋漁船魚艙口蓋強度直接計算與分析

王貴彪，張海波，單長飛，崔雪亮

(1.浙江省海洋水產研究所,浙江 舟山 316021； 2江蘇新楊子造船有限公司,江蘇 靖江 214500)

0 引 言

艙口蓋作為船舶重要的舾裝設備之一，主要作用是承受風雨載荷以保證船型的風雨密狀態(tài)[1-3]。而與一般商船不同，漁船魚艙艙口蓋尺寸較小[4]，其承受的載荷主要為風雨密載荷且極少有貨物載荷，同時艙口蓋基本由人力進行打開和關閉操作。而現(xiàn)行的檢驗規(guī)則僅僅規(guī)定了小型標準尺寸鋼質艙口蓋的加強筋尺寸與數(shù)量，但對稍大尺度或非標準尺寸的艙口蓋加強筋并未給出類似國內漁船艙口蓋計算的簡單公式[5-6]。此外，對艙蓋設置過多的加強筋也將增加艙蓋的重量，影響艙蓋的打開與閉合。因此，對遠洋漁船魚艙口蓋強度進行計算并進行結構優(yōu)化，對魚艙艙蓋的設計與實際應用具有重要的現(xiàn)實意義。

筆者以某遠洋魷釣漁船的露天艙口蓋為研究對象，參照CCS《國內航行海船建造規(guī)范》[7]以及中國海事局《遠洋漁船法定檢驗規(guī)則》[6](以下簡稱《規(guī)則》)，利用MSC.Patran軟件建立有限元模型并對其強度進行直接計算，分析了艙蓋在風雨密及自重載荷下的應力和變形情況，同時對艙口蓋的結構進行優(yōu)化設計。

1 艙口蓋概述

目標船型為鋼質雙甲板、雙層底、單槳、單舵、尾機型、橫骨架式、電焊焊接結構機動魷魚釣船，其主甲板上共設露天魚艙口蓋1個(1 300 mm×2 300 mm×2)，共有兩個蓋板組成，蓋板上等距離設置3根加強筋，蓋板與加強筋材料為CCS A級普通鋼材，其結構如圖1所示。

圖1 魚艙艙口蓋結構圖

2 有限元模型的建立

2.1 有限元模型

全模型采用建造尺寸，按照1：1建立模型。坐標系統(tǒng)采用右手坐標系，原點位于艙口蓋右舷尾端處，x軸向船首為正方向，y軸向左舷為正方向，z軸向上為正方向。具體如圖2所示。鋼材彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85 t/mm3。

圖2 魚艙艙口蓋結構有限元模型

2.2 載荷及邊界條件的設置

魚艙艙口蓋風雨密載荷計算參照《規(guī)則》的有關要求，本蓋板的設計載荷為13.31 kPa，而蓋板的自重則通過重力加速度的形式加載。同時根據(jù)魚艙艙口圍板的特性，對艙蓋沿船長方向限制其Y、Z方向自由度，沿船寬方向限制其X、Z方向的自由度，其四個角同時限制其3個方向自由度，具體如下表所示。

表1 邊界條件

2.3 許用彎曲應力與許用撓度

本船艙口蓋材料為CCS A級普通鋼材，其彈性模量為E=2.06×105N/mm2，泊松比為0.30，屈服極限為ReH=235 MPa、抗拉強度Rm=420 MPa，密度ρ=7.85 g/cm3。根據(jù)《規(guī)則》：艙蓋彎曲應力的安全系數(shù)c大于或等于4.25；艙蓋變形的允許撓度y≤l/360(其中l(wèi)為長方向的跨距)。具體如下表所示。

表2 艙口蓋許用衡準

3 計算結果

圖3、4為艙蓋的彎曲應力云圖和變形云圖，從中可以發(fā)現(xiàn)艙蓋最大彎曲應力為14.0 MPa，最大變形為3.62 mm，均滿足相關要求。

由圖可以發(fā)現(xiàn)艙蓋應力最大區(qū)域主要位于無艙口圍板支撐的區(qū)域，而變形最大處則位于無支撐圍板處艙蓋的正中處，并呈對稱分布。

圖3 艙蓋彎曲應力云圖 圖4 艙蓋變形云圖

3.1 艙口蓋結構優(yōu)化研究

3.1.1 橫撐設置的必要性研究

橫撐結構與艙口圍板類似，通常沿艙蓋長邊的方向設置，主要用于固定和支撐艙蓋，其功能類似于垂向限位器[8]，具體如圖5所示。

圖5 橫撐結構簡圖

在艙口圍板上設置橫撐結構后，原處于橫撐位置的艙蓋豎板的邊界條件與艙口圍板處一致，其有限元計算結果如圖6、7所示。

圖6 艙蓋彎曲應力云圖 圖7 艙蓋變形云圖

由上圖可以發(fā)現(xiàn)，艙蓋應力較原結構下降了約60.5%，變形量更是減少了約76.3%，同時應力和變形分布基本呈對稱狀態(tài)。由此可見，艙口圍板上橫撐結構的設置能夠有效地減少艙蓋應力和變形量。

3.1.2 艙口蓋結構優(yōu)化研究

為優(yōu)化魚艙口蓋的結構，在設置艙口圍板橫撐的基礎上，分別建立設置加強筋數(shù)量為0、1、2且均勻分布的模型一、模型二和模型三，加強筋尺寸為80×8 mm，并分別對其結構強度進行分析，具體計算結果如圖8、9所示。

圖8 不同模型彎曲應力對比

圖9 不同模型變形量對比

由計算結果可知，除模型一外，其余模型的計算結果均滿足規(guī)范的相關要求，同時隨著加強筋數(shù)量的增多，應力和變形量逐漸減少。

由圖10～15各模型的應力云圖和變形云圖可以發(fā)現(xiàn)，各模型的應力基本呈中心對稱分布，應力最大處和最小處均位于構成板格的四個角落上，而變形最大處基本位于板格的中心處。由于《規(guī)則》并未規(guī)定該尺寸艙口蓋的構造，但與1 330 mm×1 330 mm尺寸艙口蓋需設置縱向主要加強筋120 mm×10 mm兩根，橫向次要加強筋80 mm×8 mm兩根的要求對比，經有限元直接計算后設計的艙口蓋所需加強筋數(shù)量大幅減少。同時，根據(jù)計算結果，在艙口蓋板上設置1根加強筋為最佳的方案。

圖10 模型一彎曲應力云圖 圖11 模型二彎曲應力云圖

圖12 模型三彎曲應力云圖 圖13 模型一變形云圖

圖14 模型二變形云圖 圖15 模型三變形云圖

4 不銹鋼材質在魚艙艙口蓋上的應用

歐盟注冊是漁獲物進入歐盟市場的綠色通道，能有效保證捕撈加工作業(yè)過程中對漁獲物的質量控制，對爭取更多銷售市場、避免單一市場風險具有重要的意義[9-11]。而與漁獲接觸物體表面材質采用不銹鋼[12]是符合歐盟注冊標準改造的重要內容之一，不少遠洋漁船的艙口蓋已改造為用不銹鋼代替普通鋼材。將模型二的材料特性改為304不銹鋼材質，其彈性模量為E=1.93×105N/mm2，泊松比為0.30，屈服極限為ReH=205 MPa、抗拉強度Rm=520 MPa，密度為7.93 g/cm3。

由圖16～17可以發(fā)現(xiàn)，采用不銹鋼材質后，艙口蓋的應力比鋼板材質大約7.7%，而變形量則增大了11%，但其應力和變形分布均與鋼板材質保持一致。同時采用不銹鋼后，其許用應力比原艙蓋減小了約12.8%，但其結構強度仍然滿足規(guī)范要求。

圖16 不銹鋼模型應力云圖 圖17 不銹鋼模型變形云圖

5 結 論

通過對遠洋漁船不同結構形式和不同材質的魚艙口蓋強度進行直接計算與分析，得到結論如下：

(1) 利用有限元進行艙口蓋強度的直接計算能夠有效評估艙口蓋的結構強度并合理地進行優(yōu)化設計，艙口圍板上的橫撐結構能夠有效地降低艙口蓋的應力和變形。因此，在艙口圍板的設計或施工中應盡量設置橫撐結構。

(2) 與規(guī)則中類似尺寸艙口蓋結構相比，利用有限元進行結構強度直接計算能夠有效的減少加強筋數(shù)量，降低艙口蓋的生產成本。

(3) 采用不銹鋼材質后，雖然其許用應力較原材質減小且應力及變形均較原材質增大，但其結構依然滿足規(guī)則要求。