捕魚中和豐收返港工況下遠洋秋刀魚船整船強度分析

舒 鈺，謝永和，王貴彪

(1浙江海洋大學(xué)船舶與機電工程學(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惡劣的漁區(qū)進行起網(wǎng)且無法調(diào)整自身裝載，給漁船的起網(wǎng)作業(yè)帶來了很大的危險。為了保證船體結(jié)構(gòu)和船上作業(yè)人員的安全，根據(jù)秋刀魚船的實際作業(yè)工況，對船舶在起網(wǎng)時的波浪載荷和結(jié)構(gòu)強度進行計算具有一定的現(xiàn)實意義，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。中國對遠洋漁船結(jié)構(gòu)強度的直接計算較少，對長度<65 m的漁船甚至不要求計算總縱強度，因此，目前情況下采用全船有限元分析是對秋刀魚船進行強度校核計算行之有效的方法，而這種方法也被各國船級社廣泛采用[2-4]。

以53 m遠洋秋刀魚船為研究對象，通過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軟件對船型在典型工況下的起網(wǎng)狀態(tài)和正常航態(tài)進行波浪載荷長期預(yù)報，并利用設(shè)計波法對船型在同工況下的起網(wǎng)與不起網(wǎng)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)強度進行對比與分析。

1 船型概況

目標(biāo)船型為鋼質(zhì)、單甲板、雙層底、單機、單槳、橫骨架式結(jié)構(gòu)、艉機型的秋刀魚船，作業(yè)海域為西北太平洋，作業(yè)方式為光誘舷提網(wǎng)作業(yè)[5-6]。其主要尺度為：總長(LOA)53 m；設(shè)計吃水(d)3.3 m；垂線間長(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)計排水量(△)878.60 t；設(shè)計航速(v)12 kn。根據(jù)《遠洋漁船法定檢驗技術(shù)規(guī)則(2019)》[7]，結(jié)合《國內(nèi)海洋漁船法定檢驗技術(shù)規(guī)則(2019)》[8]相關(guān)內(nèi)容，選取捕魚中和豐收返港兩種工況作為計算漁船起網(wǎng)工況的裝載情況(表1)。

表1 裝載工況主要參數(shù)

2 波浪載荷計算

2.1 水動力模型及參數(shù)設(shè)置

計算浪向角為0°～180°，選取13個浪向角，其間隔為15°。頻率在0.2～2.0 rad/s的范圍內(nèi)選取，步長取0.05，共37個。通過定義不同的橫傾角模擬船型起網(wǎng)時船型的狀態(tài)，分析兩種裝載情況下起網(wǎng)和不起網(wǎng)對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，以此作為水動力計算單元，去除模型中的梁單元后生成水動力濕表面模型[9-11](圖1)。

圖1 濕表面模型

2.2 計算結(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]對船型在垂直波浪彎矩和扭矩兩個參數(shù)進行長期預(yù)報，分析本船型在捕魚中和豐收返港兩種工況下起網(wǎng)和不起網(wǎng)狀態(tài)對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的分布曲線，且滿載時仍處于中拱狀態(tài)，說明漁獲質(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；無論是否起網(wǎng)，豐收返港工況下的垂直波浪彎矩均比捕魚中工況大，且最大值均出現(xiàn)在船中附近，這與船級社規(guī)范中沿船長的垂向波浪彎矩分布趨勢相同[13]。起網(wǎng)狀態(tài)的波浪彎矩較不起網(wǎng)狀態(tài)的彎矩大，且捕魚中工況的兩種狀態(tài)相對差值比豐收返港工況大。由圖3可知，在105°浪向時，豐收返港工況的扭矩較捕魚中工況大，扭矩在1/4L(L表示船長)和3/4L附近處出現(xiàn)了極大值，且在3/4L附近處為最大值，同時捕魚中工況扭矩的兩個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，因此可以認為圖3的結(jié)論是可信的。

圖2 迎浪時船體剖面垂向波浪彎矩分布

圖3 105°浪向時船體剖面扭矩分布

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為180°時最大，且豐收返港工況在30°～180°浪向內(nèi)的彎矩值均比捕魚工況大，而在0°～30°浪向內(nèi)的彎矩值比捕魚工況小。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較大，并隨浪向趨近橫浪時逐漸減少[15]，這是符合實際的。然而與之不同的是，浪向在尾斜浪和橫浪范圍內(nèi)多了一個先增大后減少的過程，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中工況大，且扭矩在105°左右浪向時以單峰形式出現(xiàn)最大值，說明本船滿載時在橫浪航行時扭轉(zhuǎn)問題更嚴重；而捕魚工況則在浪向為60°和120°附近以雙峰形式出現(xiàn)極大值，說明捕魚中工況下本船在斜浪航行時扭轉(zhuǎn)問題更嚴重[16]。同時，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°浪向時出現(xiàn)較大值；而在捕魚中工況中起網(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 全船有限元強度計算

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)展也越來越完善，相關(guān)軟件如Sesam、Patran、Ansys等也越來越多。通過建立全船結(jié)構(gòu)模型，進行全船有限元分析來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)系建立秋刀魚船整船三維結(jié)構(gòu)有限元模型(圖6)，其原點位于舵桿中心線與基線的交線上，x軸正向為船首方向，y軸正向為左舷，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、強構(gòu)件的面板與腹板采用板單元模擬，而肋骨、扶強材等則采用梁單元模擬，并對船型內(nèi)小開口、肘板等進行簡化或忽略處理[19-20]。

圖6 全船模型

3.2 計算工況及邊界條件

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)強度的變化情況，以豐收返港為例，根據(jù)本船實際作業(yè)海域，利用設(shè)計波法對兩種情況下的結(jié)構(gòu)強度進行分析，選取對船型響應(yīng)影響最大的波浪，設(shè)計波參數(shù)見表2。

表2 各裝載狀態(tài)設(shè)計波參數(shù)

各艙室的裝載依據(jù)《船舶與海上設(shè)施法定檢驗規(guī)則》[21]的有關(guān)要求進行定義，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應(yīng)區(qū)域。邊界條件則按照《鋼質(zhì)海船入級建造規(guī)范(2018)》[22]的有關(guān)要求確定。

3.3 計算結(jié)果

3.3.1 總縱強度

根據(jù)選取的工況和對應(yīng)的設(shè)計波參數(shù)，利用SESTRA模塊進行結(jié)構(gòu)強度分析。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，浪向為180°時，船中具有最大的垂直波浪彎矩。在該設(shè)計波作用下，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，整體強度滿足要求。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)強度

圖9是LC02對應(yīng)的設(shè)計波參數(shù)下的全船應(yīng)力云圖和相關(guān)變形云圖，圖10是LC04對應(yīng)的設(shè)計波參數(shù)下的全船應(yīng)力云圖和相關(guān)變形云圖。在浪向為105°時，船長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軸負方向減小，在球艏區(qū)域變形為最??；而在主甲板變形上，右舷大于左舷而船首大于船尾，并在船尾船中處達到最小。

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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 總縱強度工況分析

在總縱強度方面，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，這是與漁船的機械設(shè)備設(shè)置在中尾部有關(guān)。從左右舷的變形來看，起網(wǎng)時右舷的變形明顯大于左舷，這是因為起網(wǎng)時漁船有嚴重的左傾，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)時右舷的變形量。從甲板變形來看，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，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)計中一個不容忽視的問題。

3.4.2 扭轉(zhuǎn)強度工況分析

在扭轉(zhuǎn)強度方面，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，且不起網(wǎng)工況下右舷的變形量較左舷的偏大。計算結(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軸負方向減小。這是因為船首舷墻和駕駛室離扭轉(zhuǎn)中心的距離最遠，而扭矩在各個位置產(chǎn)生的應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)中心的距離成正比，故這些位置的危險性自然也最大[23]，在進行船舶設(shè)計時需要重點關(guān)注這些區(qū)域，必要時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，并在船尾船中處達到最小，這與船舶在橫浪中航行時，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軟件對秋刀魚船進行了結(jié)構(gòu)強度分析，通過全船有限元分析(建立全船有限元模型，正確施加設(shè)計彎矩和載荷)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(把船體簡化為工程梁，通過計算船體梁的剖面模數(shù)和利用該位置的設(shè)計彎矩計算船體總縱強度彎曲應(yīng)力)[25]相比，優(yōu)勢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)和圖像兩方面對漁船強度進行校核，比較直觀準(zhǔn)確。缺點在于建模的工作量很大以及精確度浮動性比較大，這基于個人建模的水平和邊界條件、載荷工況的模擬是否真實等等。另外，本研究只分析了豐收返港的相關(guān)工況，在捕魚工況下是否有著相同規(guī)律還需要進一步研究。

4 結(jié)論

利用DNV SESAM軟件，通過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)，分析了秋刀魚船在捕魚中和豐收返港兩種工況下舷外是否起網(wǎng)對船體波浪外載荷的影響，驗證了垂直波浪彎矩和波浪扭矩與船長(浪向)之間的相關(guān)規(guī)律的準(zhǔn)確性。同時利用有限元軟件對長度<65 m的秋刀漁船進行了結(jié)構(gòu)強度分析，得到了對應(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)計和結(jié)構(gòu)強度校核提供一定參考：在該型漁船設(shè)計時，應(yīng)特別考慮漁船在橫浪和斜浪中航行的扭轉(zhuǎn)問題；對于變形量增大的右舷甲板(漁船橫傾引起)、遠離扭轉(zhuǎn)中心的船艏舷墻和駕駛室等部位應(yīng)做適當(dāng)加強。

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