計(jì)及作業(yè)載荷的休閑漁船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算與分析

王貴彪，李國強(qiáng)，崔雪亮，張海波

(1.浙江海洋大學(xué)海洋與漁業(yè)研究所，浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江舟山 316021；2.浙江海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江舟山 316022)

休閑漁業(yè)是現(xiàn)代漁業(yè)建設(shè)的重要內(nèi)容，是漁業(yè)發(fā)展的必然產(chǎn)物，也是漁民減船轉(zhuǎn)產(chǎn)、就業(yè)增收的重要途徑[1-6]。而休閑漁船作為體驗(yàn)式休閑漁業(yè)的載體，系指從事非生產(chǎn)性水上垂釣、捕撈、采集以及觀光、體驗(yàn)漁業(yè)生產(chǎn)等與漁業(yè)有關(guān)的休閑活動(dòng)的船舶[7-8]。在漁業(yè)資源日益枯竭及漁民減船轉(zhuǎn)產(chǎn)的背景下[9-11]，對(duì)休閑漁船船型及相關(guān)方面的研究顯得尤為迫切，但是目前國內(nèi)對(duì)于休閑漁船的研究并不多見。

本文以某32 m 捕撈體驗(yàn)式休閑漁船作為研究對(duì)象，通過MSC.Patran 軟件建立其三維有限元模型，基于其作業(yè)航區(qū)加載相應(yīng)的波浪載荷及其它相關(guān)載荷，分析和比較了外龍骨形式和作業(yè)載荷對(duì)船型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響程度。

1 船型及有限元模型概況

1.1 休閑漁船主尺度信息

該船型為鋼質(zhì)、單底、單甲板、單槳、單舵的橫骨架式結(jié)構(gòu)，在船中范圍內(nèi)擁有2 層甲板室，為捕撈體驗(yàn)式休閑漁船，其作為主要漁撈設(shè)備的2 臺(tái)臥式起網(wǎng)機(jī)安裝于甲板室后端的主甲板上(表1)。

表1 船型主要參數(shù)表Tab.1 Table of main parameters of ship

1.2 有限元模型

利用MSC.Patran 軟件建立的休閑漁船的有限元模型如圖1 所示。模型通過板單元和梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，船型的混凝土壓載、漁具、主機(jī)等設(shè)備、艙室內(nèi)物品和人員則通過定義質(zhì)量點(diǎn)[12]的方式進(jìn)行模擬。模型邊界條件則依據(jù)CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》[13]的要求設(shè)置。

圖1 三維結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.1 3D finite element mode

2 計(jì)算工況及載荷

2.1 計(jì)算工況分析

由于休閑漁船作業(yè)特點(diǎn)完全不同于商船或者捕撈漁船[14]，其航區(qū)僅限于遮蔽[15]，單次活動(dòng)時(shí)間不得超過8 h[16]，故其燃油艙、水艙容積不大。同時(shí)本船型又為體驗(yàn)式捕撈作業(yè)船型，漁獲物不多[16]，各裝載工況的差距不大，故本文僅考慮船型滿載出港和空載到港的工況。

2.2 載荷計(jì)算

2.2.1 空船重量

船型鋼板重量通過定義鋼材密度，而混凝土壓載、機(jī)器設(shè)備、燈桅等物件則通過以質(zhì)量點(diǎn)的形式加載至模型的相應(yīng)位置。

2.2.2 舷外水壓力本文將舷外水壓力分為靜水、迎浪的中拱和中垂三種工況，并結(jié)合船型的航區(qū)及作業(yè)條件限制[15-16]選取等效設(shè)計(jì)波，通過Patran的場(chǎng)函數(shù)形式加載波浪載荷至模型濕表面的各單元上。

2.2.3 貨物載荷

由于休閑漁船漁獲物極少，故本船貨物載荷僅需考慮燃油和淡水載荷。此類載荷以均布力的形式加載至對(duì)應(yīng)的艙壁及船底板上。

3 外龍骨對(duì)船型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響研究

外龍骨是漁船船型的一大特色，在不減少魚艙艙容的前提下，外龍骨能顯著地降低漁船的重心，保證了漁船作業(yè)安全[17]。隨著休閑漁船船型往游船船型發(fā)展，外形美觀的各種上層建筑不斷提高著船型的重心高度，利用外龍骨壓載逐漸在休閑漁船的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1 外龍骨的形式選取

漁船設(shè)置的外龍骨一般有2 種常見的形式：一是采用實(shí)心扁鋼焊接在平板龍骨上，這種龍骨雖然效果好，但造價(jià)高，一般應(yīng)用于遠(yuǎn)洋漁船上；二是利用鋼板焊接成方形空心龍骨，并在內(nèi)部填充混凝土，這種龍骨造價(jià)低、制作方便，已被廣泛地應(yīng)用于各類漁船中。

本文選取實(shí)心龍骨、鋼板焊接龍骨、無龍骨3 種形式作為研究對(duì)象并分別建立相應(yīng)的有限元模型進(jìn)行分析，同時(shí)調(diào)整各模型中質(zhì)量點(diǎn)的數(shù)量與分布，保證3 種模型的重量一致。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

由圖2～4 可以發(fā)現(xiàn)：3 個(gè)模型船型在中拱和中垂工況下的最大應(yīng)力明顯大于靜水工況，且中拱工況的最大應(yīng)力普遍大于中垂工況。同時(shí)除靜水工況外，縱向構(gòu)件最大應(yīng)力明顯大于橫向構(gòu)件最大應(yīng)力，這表明波浪載荷引起的總縱強(qiáng)度依然是處于遮蔽航區(qū)休閑漁船船型強(qiáng)度校核的重要內(nèi)容。無外龍骨模型的最大應(yīng)力基本大于有外龍骨的2 個(gè)模型，這種情況在縱向構(gòu)件上表現(xiàn)得尤為明顯，最大的空載工況下有外龍骨模型最大應(yīng)力較無龍骨模型的最大應(yīng)力減小約9%；而在靜水工況，有無外龍骨對(duì)構(gòu)件的最大應(yīng)力影響較小。這表明了外龍骨對(duì)船型的總縱強(qiáng)度具有一定的改善作用，但對(duì)橫向強(qiáng)度的影響不大。

圖2 縱向構(gòu)件最大應(yīng)力對(duì)比Fig.2 Maximum stress comparison of longitudinal members

圖3 橫向構(gòu)件最大應(yīng)力對(duì)比Fig.3 Maximum stress comparison of transverse members

圖4 甲板室最大應(yīng)力對(duì)比Fig.4 Comparison of maximum stresses in deckhouse

4 計(jì)及作業(yè)載荷的船型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

4.1 作業(yè)載荷計(jì)算與加載

捕撈體驗(yàn)式休閑漁船作業(yè)與捕撈漁船類似，本船型通過在船尾的起網(wǎng)機(jī)拖曳網(wǎng)具進(jìn)行捕撈作業(yè)的示范與體驗(yàn)，網(wǎng)具拖曳產(chǎn)生的阻力通過曳鋼作用至船型上。由于漁具阻力的成分構(gòu)成復(fù)雜，目前還沒有形成精確的計(jì)算公式[18-19]，本文采用如下所示的經(jīng)驗(yàn)公式[20]進(jìn)行估算，并將計(jì)算所得的漁具阻力通過船尾起網(wǎng)機(jī)基座上建立的MPC 點(diǎn)以一定角度加載至模型上。

式中：RN為漁具阻力；CP為推進(jìn)系數(shù)，一般取0.25～0.30；P 為主機(jī)功率；v 為拖速。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合船型特性及裝載工況[21]，選取滿載工況作為休閑漁船作業(yè)狀態(tài)下強(qiáng)度分析的計(jì)算工況。

由圖5～7 休閑漁船作業(yè)與非作業(yè)工況最大等效應(yīng)力對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：除滿載中拱工況外，在同等情況下作業(yè)工況的船型構(gòu)件應(yīng)力基本大于非作業(yè)工況的應(yīng)力，這可能是由于網(wǎng)具拖曳具有的一個(gè)垂直向下分力抵消了部分引起船型中拱狀態(tài)的波浪載荷。同時(shí)，作業(yè)工況下的船型各構(gòu)件最大應(yīng)力分布依然與非作業(yè)工況的應(yīng)力分布情況保持一致，即滿載中拱>滿載中垂>滿載靜水，這表明船型作業(yè)工況并非影響船型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素。此外，滿載裝載下各構(gòu)件作業(yè)與非作業(yè)工況的最大應(yīng)力僅相差5%左右，表明了休閑漁船船型作業(yè)載荷對(duì)船型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并無明顯影響，這是由休閑漁船不從事高強(qiáng)度捕撈生產(chǎn)作業(yè)這一特性所決定的。

圖5 縱向構(gòu)件最大應(yīng)力對(duì)比Fig.5 Maximum stress comparison of longitudinal members

圖6 橫向構(gòu)件最大應(yīng)力對(duì)比Fig.6 Maximum stress comparison of transverse members

圖7 甲板室最大應(yīng)力對(duì)比Fig.7 Comparison of maximum stresses in deckhouse

圖9～10 為滿載各工況作業(yè)條件下全船的等效應(yīng)力分布云圖，由圖可以發(fā)現(xiàn)，在中垂和中拱工況下，船型尾部的應(yīng)力大于船型首部，這是由于作業(yè)時(shí)船型存在一定的艉傾造成船尾載荷大于船首而導(dǎo)致的。而在靜水工況下，船型的應(yīng)力主要集中在船尾起網(wǎng)機(jī)基座和油艙水艙附近的構(gòu)件上。

圖8 滿載中拱作業(yè)下船型應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram under full load middle arch operation

圖9 滿載中垂作業(yè)下船型應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram under full load and mid vertical operation

圖10 滿載靜水作業(yè)下船型應(yīng)力云圖Fig.10 Stress nephogram under full load static water operation

圖11～16 為3 種不同龍骨形式下，空載中拱和滿載中垂工況下主船體的變形云圖。由圖可以發(fā)現(xiàn)，主船體變形最大的區(qū)域位于船中稍微靠船尾的位置，且船首變形量小于船尾。實(shí)心龍骨在空載中拱工況下的最大變形量比鋼板焊接龍骨和無龍骨模型分別減小了15.3%和16.5%，而在滿載中垂工況下分別減小了10.3%和8.9%。

圖11 空載中拱工況下無龍骨模型變形云圖Fig.11 Deformation of hogging status under no loading condition with no keel model

圖13 空載中拱工況下實(shí)心龍骨模型變形云圖Fig.13 Deformation of hogging status under no loading condition with solid keel model

圖14 滿載中垂工況下無龍骨模型變形云圖Fig.14 Deformation of sagging status under full loading condition with no keel model

圖15 滿載中垂工況下鋼板焊接龍骨模型變形云圖Fig.15 Deformation of sagging status under full loading condition with plate welding model

圖16 滿載中垂工況下實(shí)心龍骨模型變形云圖Fig.16 Deformation of sagging status under full loading condition with solid keel model

5 結(jié)論

(1)休閑漁船外龍骨的設(shè)置雖然對(duì)船型在中拱、中垂?fàn)顟B(tài)下主船體變形有一定的影響，能夠在一定程度上減小船體的變形量，但對(duì)船型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無明顯影響。因此，選取鋼板焊接并填充混凝土形式的外龍骨作為休閑漁船船型的壓載是最經(jīng)濟(jì)的一種方式。

(2)休閑漁船的作業(yè)載荷對(duì)船型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響并不大，這是由休閑漁船僅進(jìn)行捕撈演示但不生產(chǎn)作業(yè)的特征所決定的。

(3)本文利用有限元軟件在考慮作業(yè)載荷條件下進(jìn)行船型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的方法可為類似船型尤其是漁船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算提供思路，對(duì)漁船疲勞分析研究具有一定的參考價(jià)值。