基于晃蕩載荷的養(yǎng)魚水艙操作平臺結(jié)構(gòu)強度分析

王 靖，王 僑，張 怡，崔銘超

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室 深藍漁業(yè)工程聯(lián)合實驗室，山東 青島 266237；3 國信中船(青島)海洋科技有限公司，山東 青島 266061)

在深遠海作業(yè)的養(yǎng)殖工船主甲板下設(shè)有多個用于養(yǎng)殖魚類的養(yǎng)魚水艙，該艙類似液貨船液艙。與常規(guī)液貨船不同的是，養(yǎng)殖工船在波浪中航行或錨泊時，由于養(yǎng)殖作業(yè)要求，養(yǎng)魚水艙養(yǎng)魚工況裝載至指定位置為非滿艙裝載，水體在部分裝載工況或海況惡劣船體受到海洋環(huán)境中較大的激勵時，養(yǎng)魚水艙內(nèi)的水體會發(fā)生比較常見的如駐波、組合波和飛濺等晃蕩現(xiàn)象[1-3]。到目前為止，關(guān)于液貨船液艙的晃蕩研究得比較多，鄒昶方等[4]在彈性支撐條件下進行過液艙的晃蕩載荷試驗研究；中國艦船科學(xué)研究中心的徐國徽等[5]在耦合運動條件下進行了液艙晃蕩壓力的研究；船級社、設(shè)計院和船廠等對多種液貨船的液體晃蕩對船體結(jié)構(gòu)影響進行了研究[6-10]，但對于新船型養(yǎng)殖工船養(yǎng)魚水艙的水體晃蕩研究較少，特別是晃蕩運動水平和載荷情況有待進一步研究。

在養(yǎng)魚水艙內(nèi)水體液面上方，沿艙壁四周設(shè)有觀察、養(yǎng)殖操作等功能的鋼質(zhì)平臺，即操作平臺。養(yǎng)殖人員在艙內(nèi)操作平臺上工作時，為保證養(yǎng)殖人員安全，避免艙內(nèi)水體晃蕩嚴重時對人員產(chǎn)生拍擊，該操作平臺具有阻擋水體飛濺和拍擊功能，設(shè)計為非開孔結(jié)構(gòu)平臺。由于水體強烈的晃蕩對液艙內(nèi)平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，嚴重時會造成工作人員傷害及船體結(jié)構(gòu)破壞[11-18]，艙內(nèi)操作平臺結(jié)構(gòu)強度要進行分析計算。本研究主要對養(yǎng)殖工船養(yǎng)魚水艙水體晃蕩載荷計算和操作平臺強度是否滿足要求進行了探討。

1 船型及艙型參數(shù)

養(yǎng)殖工船在船中設(shè)縱艙壁將養(yǎng)魚水艙分為左、右液艙，設(shè)多個橫艙壁將養(yǎng)魚水艙在船長方向均勻分開。養(yǎng)魚水艙及操作平臺的橫剖面示意圖見圖1。正常養(yǎng)魚工況為部分裝載工況，操作平臺位于液面上方，滿載工況時則浸沒在水體中。該船的船舶類型和養(yǎng)魚水艙的大小符合中國船級社《液艙晃蕩載荷及構(gòu)件尺寸評估指南》(下文《指南》)的適用范圍[19]。為了滿足養(yǎng)魚水艙適漁性要求[20-21]，該艙艙壁上的筋、梁和縱橫框架等支撐結(jié)構(gòu)均設(shè)在艙外側(cè)，養(yǎng)魚水艙內(nèi)不設(shè)置制蕩艙壁。故該艙縱向有效晃蕩長度為艙長，橫向有效晃蕩寬度為艙寬[22]。船型、養(yǎng)魚水艙參數(shù)如表1所示。

表1 船型及艙型參數(shù)

圖1 養(yǎng)魚水艙及操作平臺示意圖

2 晃蕩載荷

2.1 載荷概述

養(yǎng)魚水艙內(nèi)的操作平臺設(shè)于水體液面上方，與縱壁焊接，其所受到的載荷有局部性載荷和總體性載荷[23]。局部載荷有艙內(nèi)水體晃蕩運動產(chǎn)生的晃蕩載荷、工作人員載荷、放置在操作平臺上的設(shè)備產(chǎn)生的載荷；總體性載荷是能夠引起船舶整體變形或遭到破壞的載荷，有總縱彎曲力矩、剪力等?？傮w性載荷根據(jù)中國船級社《鋼制海船入級規(guī)范》(簡稱《鋼規(guī)》)計算后施加在艙段上[24]。作用在操作平臺上的局部性載荷中除艙內(nèi)水體晃蕩載荷，其他載荷均可通過設(shè)備資料等得知，依據(jù)《指南》對養(yǎng)魚水艙水體晃蕩載荷進行分析計算。

2.2 晃蕩周期

在晃蕩分析之前，先進行晃蕩諧振分析，即養(yǎng)魚水艙內(nèi)水體晃蕩運動固有周期是否接近船體運動固有周期。《指南》指出，當(dāng)養(yǎng)魚水艙晃蕩周期介于0.7倍船舶壓載運動固有周期和1.2倍船舶滿載運動固有周期之間時，產(chǎn)生晃蕩諧振。船體橫搖固有周期Tr和縱搖固有周期TP計算依據(jù)公式(1)和(2)。計算船體橫搖運動固有周期，滿載時為15.63 s，壓載時為10.60 s；計算船體縱搖運動固有周期，滿載時為13.51 s，壓載時為11.58 s。液體縱向晃蕩運動周期Tx和橫向晃蕩運動周期Ty計算依據(jù)公式(3)和(4)，計算結(jié)果見表2。

(1)

(2)

式中：kr為所考慮裝載工況的橫搖回轉(zhuǎn)半徑，m；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；GM為所考慮裝載工況的初穩(wěn)性高度，m；dI為船舶所考慮裝載工況下的平均吃水，m；d為吃水，m；L為船長，m。

(3)

(4)

式中：g為重力加速度，g=9.81 m/s2；ls為縱向有效晃蕩長度，m；hl為縱向有效裝載高度，m；bs為橫向有效晃蕩寬度，m；hb為橫向有效裝載高度，m。

2.3 晃蕩運動水平

晃蕩載荷依據(jù)養(yǎng)魚水艙中水體晃蕩運動情況和晃蕩載荷大小分為水平一、水平二、和水平三。所有符合《指南》[19]適用要求的水艙均應(yīng)計算水平一下的晃蕩載荷；當(dāng)養(yǎng)魚水艙縱向有效晃蕩長度ls≤0.13L(計算船長)或橫向有效晃蕩寬度bs≤0.56B(型寬)時，且養(yǎng)魚水艙內(nèi)水體縱搖、橫搖運動周期在晃蕩諧振周期范圍內(nèi)時，計算晃蕩運動水平二下的晃蕩載荷；當(dāng)養(yǎng)魚水艙縱向有效晃蕩長度ls>0.13L或橫向有效晃蕩寬度bs>0.56B時，且養(yǎng)魚水艙內(nèi)液體縱搖、橫搖運動周期在晃蕩諧振周期范圍內(nèi)時，計算晃蕩運動水平三下的晃蕩載荷。符合晃蕩運動水平二的水艙需計算水平一、水平二下的晃蕩載荷；符合晃蕩水平三的水艙需計算晃蕩運動水平一、水平二和水平三下的晃蕩載荷，使其結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

2.4 晃蕩載荷計算

艙高h為20.4 m，步長設(shè)為0.05h，滿艙和部分裝載的計算高度0.05～0.95h，具體見表2。當(dāng)養(yǎng)魚水艙內(nèi)裝載超過0.15h后，艙內(nèi)水體的晃蕩周期不在晃蕩諧振周期范圍內(nèi)。依據(jù)晃蕩水平等級判斷，裝載高度超過0.15h后，結(jié)合養(yǎng)魚水艙的艙長、艙寬和艙高等參數(shù)不需要進行晃蕩水平二和晃蕩水平三下的晃蕩載荷計算。養(yǎng)魚水艙內(nèi)操作平臺位于0.80h以上，該處只需計算晃蕩水平一下晃蕩載荷。艙內(nèi)水體橫向和縱向晃蕩載荷計算分別依據(jù)公式(5)和公式(6)，操作平臺所受橫向和縱向晃蕩載荷取0.80h處的晃蕩載荷計算結(jié)果，橫向晃蕩載荷為77.90 kN/m2，縱向晃蕩載荷為57.09 kN/m2，見表2。

表2 養(yǎng)魚水艙晃蕩載荷和晃蕩周期

p=ρg(hf-z)+ρgbtan(πθ/180)/2

(5)

p=ρg(hf-z)+ρgltan(πφ/180)/2

(6)

式中：ρ為海水密度，1.025 t/m3；g為重力加速度，取g=9.81 m/s2；hf為裝載高度，m；b為艙寬，m；θ為橫搖角，(°)；φ為縱搖角，(°)；z為艙底到艙壁計算點處距離，且不大于hf，m。

3 操作平臺結(jié)構(gòu)分析

3.1 計算模型

操作平臺位于養(yǎng)魚水艙內(nèi)，其既受到局部性載荷，同時也受到總體性載荷，故該操作平臺有限元模型建在艙段模型內(nèi)。操作平臺的有限元模型坐標(biāo)系同艙段模型[25]，見圖2。x向為船體的縱向，船首方向為正；y向為船體的橫向，向左舷為正；z向為船體的垂向，向上為正。操作平臺結(jié)構(gòu)為船用普通鋼材料。為清楚表達操作平臺的模型范圍，將操作平臺模型放大引出，單獨顯示，見圖3。

圖2 有限元模型坐標(biāo)系統(tǒng)

3.2 載荷和邊界條件

操作平臺施加載荷包括總體性載荷與局部性載荷。有限元直接計算邊界條件根據(jù)《鋼規(guī)》雙殼油船結(jié)構(gòu)強度直接計算進行施加[26-27]，模型施加局部載荷邊界條件和總體載荷邊界條件后見圖3中模型顯示。

圖3 有限元計算模型

3.3 應(yīng)力衡準(zhǔn)和計算結(jié)果

依據(jù)該船所養(yǎng)魚類對海況的要求，養(yǎng)殖工況對船體結(jié)構(gòu)強度要求小于航行工況[28]，航行工況下的結(jié)構(gòu)強度滿足要求，則其他工況也滿足要求。應(yīng)力衡準(zhǔn)依據(jù)《鋼規(guī)》進行選取，該平臺屬于構(gòu)件分類中的其他類，材料為船用普通鋼，許用應(yīng)力為195 N/mm2，見表3。

壓載工況時，養(yǎng)魚水艙內(nèi)沒有水體，艙內(nèi)沒有水體晃蕩產(chǎn)生，故可不考慮壓載工況下晃蕩載荷對操作平臺的影響。首先分析操作平臺只在總體性載荷作用下的情況，最大應(yīng)力為4.99 N/mm2，具體分析結(jié)果見圖4。

圖4 總體性載荷強度分析結(jié)果

非滿艙裝載時水體產(chǎn)生晃蕩運動最為嚴重，為該船的滿載出港工況，操作平臺位置所受的載荷最大，經(jīng)分析計算，各個結(jié)構(gòu)單元應(yīng)力水平均滿足“鋼規(guī)”衡準(zhǔn)要求，計算結(jié)果見圖5顯示。該平臺結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位置為艙內(nèi)平臺四角處，最大應(yīng)力124 N/mm2，利用率為64%，去除四角位置由于集中應(yīng)力影響的單元，該平臺最大應(yīng)力為64 N/mm2，位于平臺的加筋處，該位置的應(yīng)力更接近實際情況。根據(jù)應(yīng)力云圖，四角處可較其他位置適當(dāng)加強，另外操作平臺設(shè)于養(yǎng)魚水艙，長期處于富氧、潮濕的環(huán)境中，設(shè)計時要適當(dāng)考慮惡劣環(huán)境造成嚴重腐蝕，適當(dāng)增加操作平臺板材板厚[29-30]。

圖5 操作平臺強度分析結(jié)果

4 結(jié)論

養(yǎng)魚水艙水體有效晃蕩長度和有效晃蕩寬度對液體晃蕩周期有影響，進而影響晃蕩運動水平，在總體布置階段要考慮養(yǎng)魚水艙的艙長和艙寬尺寸選取問題，盡量減小諧振晃蕩影響范圍。總體性載荷對該平臺強度影響很小，其結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況主要是艙內(nèi)水體壓力和其晃蕩運動載荷決定。對于平臺四角應(yīng)力較大區(qū)域，可采取局部加強措施。