南極磷蝦拖網加工船雙桁架系統設計

2017-07-25 08:59:52周春凱王威

中國艦船研究 2017年3期

周春凱，王威

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

南極磷蝦拖網加工船雙桁架系統設計

周春凱，王威

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

［目的］為了提高南極磷蝦拖網加工船的捕撈效率，避免拖網內磷蝦長時間相互擠壓以保護其蝦體品質，［方法］提出一種相較于常規南極磷蝦尾拖網捕撈效率更高的新型雙支架桁桿拖網設計方案。通過系統結構建模方法，對雙桁架系統在吊放和作業狀態下的受力與結構進行仿真分析，得到拖網絞車與桁桿的距離，以及水平定位鋼纜與桁桿距離的限制范圍，從而避免雙桁架結構的構件發生受力突變，確保拖網鋼纜和水平定位鋼纜在捕撈作業時的有效性。［結果］仿真結果顯示，采用該雙桁架系統能夠在提高南極磷蝦捕撈加工效率的同時確保系統結構的安全性。［結論］該雙桁架系統可作為未來我國南極磷蝦拖網加工船桁架設計的優選方案。

南極磷蝦拖網加工船；雙桁架設計；受力分析；拖網

0 引言

南極水域蘊藏了豐富的海洋生物資源，已知魚類有200多種，磷蝦類有8種，年捕獲量相當于全世界海產品捕獲量的2倍，因此，開發利用潛力巨大。南極磷蝦主要用于食品、制藥、美容、養殖業等領域。上世紀70年代，許多國家就開始了南極磷蝦捕撈活動，挪威近年來對南極磷蝦進行深加工，已形成了產業化［1-2］。我國由于在漁機漁儀、漁具漁法、綜合集成等方面的技術相對落后，加之國外技術封鎖，尚不具備南極磷蝦的商業性捕撈能力［3］。隨著我國近海海洋漁業資源的日漸枯竭，南極磷蝦作為重要的戰略資源，對其進行海上綜合開發利用技術的自主研究具有重要意義。

我國自主設計的南極磷蝦拖網加工船的作業區位于南極羅斯等海域，主要捕撈對象為南極磷蝦。由于磷蝦在拖網內長時間擠壓會造成蝦殼中高含量元素氟滲入蝦體可食部分，進而造成磷蝦體內的酶迅速分解，引起肉質腐敗，因此必須在起捕后的1～3 h內進行加工處理［4］，可見南極磷蝦拖網捕撈面臨的重要技術問題是如何提高捕撈的效率和確保蝦體品質，這也是南極磷蝦捕撈技術研究的重點。目前，各國南極磷蝦捕撈作業仍以傳統的拖網捕撈為主，無法避免上述捕撈過程帶來的缺點。挪威等少數漁業強國已成熟運用了新型雙桁架拖網技術，該技術可以有效避免南極磷蝦在拖網內長時間相互擠壓，從而保護其品質［5］。

本文將通過結構建模方法，對雙桁架系統在吊放和拖網作業狀態下的結構受力情況進行仿真計算研究，得到可以確保南極磷蝦捕撈過程安全有效的相關結構設計參數，提出雙桁架拖網設計方案。采用該設計方案，將可以極大地提高我國南極磷蝦捕撈、加工的綜合效率。

1 雙桁架漁法概述

南極磷蝦拖網加工船雙桁架系統結構如圖1所示。雙桁架拖網捕撈示意圖如圖2所示。雙桁架結構型式是在船舶左右舷對稱布置，主要由桁桿、船體門式鋼架結構、網具、滑輪、拖網鋼纜、水平定位鋼纜、垂直定位鋼纜等組成。雙桁架拖網漁法是指在船舶舯部的兩舷各撐出1根桁桿，桁桿外端設置1個滑輪，與網具相連的鋼纜通過滑輪與拖網絞車相連，同時桁桿通過水平、垂直定位鋼纜進行支撐。在拖網過程中，通過網具末端泵吸軟管連接的吸魚泵，將網中的磷蝦直接吸到甲板上，從而達到捕撈磷蝦的目的。

圖1 雙桁架系統構成圖Fig.1 Structure of twin-truss trawl system

圖2 雙桁架拖網捕撈示意圖Fig.2 Sketch map of twin-truss trawl fishing

2 系統設計目標和設計輸入

2.1 設計目標

通過對桁架、水平和垂直定位鋼纜在吊放、平穩狀態、風浪擾動3種工況下的受力進行分析和計算［6-11］，采用改變絞車的位置等方法，設計以絞車最小受力為標準的雙桁架系統，避免以下工況時的最大受力情況，即最危險工況。

1）桁架吊放狀態。對桁架從垂直、貼著門式鋼架結構的狀態到水平放置過程中的垂直定位鋼纜和桁架進行受力分析，以確定該鋼纜的絞車以及門式鋼架結構處的結構加強，計算出最大受力情況。

2）桁架平穩狀態。桁架平穩拖網作業時，對桁架、水平和垂直定位鋼纜以及拖網鋼纜進行受力分析，計算出各鋼纜的最大受力情況。該情況可以作為風浪擾動狀態下的特例，即不用單獨分析。

3）風浪擾動狀態。在風浪擾動的狀態下，船舶發生橫搖，橫搖角20°。在此工況下，對桁架、水平和垂直定位鋼纜以及拖網鋼纜進行受力分析，計算出最大受力情況［12-13］。

2.2 設計輸入

設計輸入說明如下：

1）船舶在航行狀態和停泊狀態時，桁桿豎向收起，靠附在船體門式鋼架結構上。同時，桁桿在水平方向可以180°角轉動，工作狀態考慮桁桿水平偏移角β（范圍±5°）。

2）拖網滑輪始終處于桁桿后方，且桁桿端部到滑輪圓心鋼纜長度L0可調節，本文按照L0=2.5～8.5 m的取值范圍計算。

3）門式鋼架結構高20 m，桁桿長20 m，直徑約20 cm。展開時，距水面高度約8.5 m，水深為100 m，拖網鋼纜長約300 m，拖網鋼纜與水平面的夾角α約為21.2°。

4）鋼索直徑為28mm或32mm。

5）船舶以3.5 kn航速拖網航行時，吊放狀態下漁網作用于桁桿的豎向力（即網具阻力）Fw=490 kN，網口垂直高度約19 m。

6）考慮在風浪擾動狀態下船舶的橫搖角為20°，根據中國船級社《船舶與海上設施起重設備規范（2007）》的規定，雙桁架系統按照吊桿裝置特殊作業工況進行設計，同時滿足《鋼制海船入級規范（2012）》相關要求。

7）圖3所示為南極磷蝦拖網加工船桁桿與船體的連接型式，矩形框為雙桁架結構布置區域。為保證拖網鋼纜、水平定位鋼纜在作業時不會發生糾纏及破壞雙桁架結構，拖網絞車與桁桿的距離Lw必須小于水平定位鋼纜與桁桿的距離Ls，兩者必須處于布置區域內，即Lw＜Ls≤29m。

圖3 南極磷蝦捕撈加工船桁桿與船體的連接型式Fig.3 Connection of twin-truss and hull of the antarctic krill trawl processing ship

3 系統建模和結構設計

3.1 雙桁架吊放狀態

雙桁架吊放狀態如圖4所示。圖中，Fg為桁桿軸向壓力，kN；Fc為垂直定位鋼纜拉力，kN；Gh為桁桿自重，kN；L為桁桿長度，m；H為門式鋼架結構高度，m；γ為桁桿吊放過程與水面的夾角，（°）；δ為垂直定位鋼纜與水平面的夾角，（°）。

桁架從垂直、貼著門式鋼架結構的狀態到水平放置過程中，桁桿端部受Fw，Fg，Fc這3種作用力的影響，且在平面內受力平衡。

由受力平衡可得下列方程組：

圖4 吊放狀態示意圖Fig.4 Sketch map of tethered state of twin-truss trawl system

計算可得Fg，Fc的表達式如下：

由圖4的幾何關系可知：

進而得到如下計算公式：

3.2 雙桁架作業狀態

雙桁架作業狀態模型建立在拖網絞車D、水平鋼纜安放點F、桁桿安放點E這3點處于同一水平面且3點共線的前提下，其作業狀態如圖5所示。

圖5 雙桁架作業狀態示意圖Fig.5 Sketch map of operating state of twin-truss trawl system

圖中：A為滑輪圓心；CE表示桁桿長度L，其中，E點為G點的垂足；CA表示L0；DE表示Lw（以下稱臨界距離）；EF表示Ls；NK表示滑輪距P點沿x軸方向的距離Lax，其中，N點為P點的垂足，K點為A點的垂足；AK表示滑輪至船身的距離Lay；PN表示滑輪至甲板平面的垂直距離Haz，其中，P點為C點在甲板平面上的垂足；ξ為平穩作業狀態時船身與水平面的夾角（即橫搖角，范圍±20°）。

對雙桁架作業狀態下的結構受力分析如下：

作業狀態中，桁桿在空間內受力平衡，與Fc和Fg、水平定位鋼纜拉力Fs、連接桁桿端部到滑輪圓心鋼纜拉力Fh以及Gh有關系。將拖網鋼纜AB、拖網絞車至滑輪圓心的距離AD向量進行單位化：

由于CA為AB，AD的角平分線，故Fh所在的單位向量為

Fg，Fc，Fs對應的向量 CE，CG，CF分別表示如下：

將上述向量分別進行單位化處理如下：

則CA，CG，CF鋼纜所受力的向量分別為：

式中，fw，fc，fs分別為對應力的標量。

桁桿軸向壓力的向量為

式中，fg為對應力的標量。

桁桿自重向量為

根據上述公式，可以得到桁桿空間受力平衡方程如下：

通過式（20）～式（22），可分別得到Fc，Fg，Fs，Fh的值。

4 系統數據分析

4.1 雙桁架吊放狀態

根據對雙桁架吊放狀態受力分析系統的數據，得到分析結果如下：

1）桁桿所受軸向壓力Fg的值僅與門式鋼架結構高度H、桁桿長度L、桁桿重力Gh及Fw有關，與γ無關，Fg的值在吊放狀態保持不變。

2）當門式鋼架結構高度H、桁桿長度L、桁桿重力Gh及Fw確定后，Fc在吊放過程中隨γ的增大而減小，即起吊過程中γ=0°時，垂直定位鋼纜產生的拉力最大。

4.2 雙桁架作業狀態

根據雙桁架作業狀態受力分析系統的數據，得到分析結果如下：

當平穩作業狀態橫搖角ξ=0°，即平穩工作狀態為風浪狀態的特例時，可將平穩作業狀態歸入風浪狀態。實際情況下，Haz＜8.5 m，Lay＜20 m，且均為正值。計算結果表明，Lw無論取何值，該條件均滿足。

4.2.1 拖網絞車安放距離Lw分析

1）拖網滑輪必須處于桁桿后方，否則滑輪組將偏離船身過遠，從而影響南極磷蝦拖網加工船的正常作業。

根據實際操作經驗，南極磷蝦拖網加工船正常工作狀態時，L0≈2.5 m。圖6所示為在不同橫搖角ξ情況下Lax隨Lw變化的曲線。由圖可知，Lw越大，則Lax越小。當Lax=0時，Lw最大，此時即為拖網絞車安放的臨界距離。表1所示為L0=2.5 m、船身處于3種橫搖角ξ、桁桿處于3種水平偏移角β時拖網絞車安放的臨界距離Lw。

由表1可知，為了保證ξ，β在所有取值下拖網滑輪均處于桁桿后方，Lw應取最小值。當ξ=-20°，β=5°時，Lw=44 m，此時是所有工況下較危險的情況，故為保證安全，必須要求Lw＜44 m。

圖6 不同ξ取值下Lax隨Lw變化的曲線Fig.6 Variation ofLaxwith respecttoLwunder variousξvalues

表1 不同工況時Lw的取值范圍Table 1 Range ofLwunder various conditions

南極磷蝦拖網加工船作業時，L0需要人工調整。當L0=2.5 m時，較危險的狀態應為ξ=-20°，β=5°。當L0為不同值時，Lax隨Lw變化的曲線如圖7所示。由圖可知，隨著L0的增大，Lw越小。其中，當L0=8.5 m時，Lw=35 m，而Lax=0是不同L0取值中的最小值，故Lw≤35 m才能保證不影響正常作業。

2）水平定位鋼纜受力Fs與Ls，Lw有關。根據受力分析結果，水平定位鋼纜是否失效（失效即為鋼纜中拉力為0或為負）只取決于Lw。

由數據分析可知，當ξ=-20°，β=-5°時，Fs=0對應的Lw值最小。圖8所示為L0在3種取值時Fs隨Lw變化的曲線。由圖可知，隨著Lw增大，Fs減小。當L0=8.5 m，Lw=24 m時，Fs=0，此時，水平定位鋼纜開始失效。因此為保證水平定位鋼纜始終處于受拉狀態，且不產生失效的危險情況，必須要求Lw≤24 m。

圖7 不同L0取值下Lax隨Lw變化曲線Fig.7 VariationofLaxwithrespecttoLwundervariousL0values

圖8Fs隨Lw的變化曲線（ξ=-20°，β=-5°）Fig.8 Variation ofFswith respect toLwwhenξ=-20°andβ=-5°

4.2.2 受力分析

在桁桿作業狀態下，ξ=-20°～20°，β=-5°～5°，L0=2.5～8.5 m。由于布置區域的限制，Lw=0～29 m，Ls=0～29 m。下面分別對Fc，Fg，Fs，Fh進行分析。

1）垂直定位鋼纜拉力Fc。

大量計算數據分析表明，Fc隨ξ的增大而減小，隨β的增大先增后減，隨L0的增大而減小。因此，選取較危險的狀態，即ξ=-20°，L0=2.5 m，可求得Fc的最大值。當較危險狀態仍能滿足設計需要時，其他較安全狀態則可得到滿足。由式（20）～式（22）求解的可知，此時Fc僅與Lw有關。圖9所示為Fc隨Lw變化的曲線。由圖可知，Fc隨Lw變化不大，其值保持在248～255 kN之間。

圖9Fc隨Lw的變化曲線Fig.9 Variaton ofFcwith respect toLw

2）桁桿軸向壓力Fg。

大量計算數據分析表明，Fg隨著ξ，β，L0的增大而減小。因此，分別選取較危險的狀態，即ξ=-20°，β=-5°，L0=2.5 m。圖10所示為較危險狀態下Fg隨Lw，Ls變化的三維關系曲面。由圖可知，Fg隨Lw，Ls的增大而減小，當Ls=0～11 m時，Fg增長較快；當Ls=11～15 m時，Fg增長緩慢；當Ls=15～29 m時，Fg變化很小，其值保持在300～800 kN之間。

圖10Fg隨Lw和Ls變化的三維曲面Fig.10 VariationofFgwithrespecttoLwandLs

3）水平定位鋼纜拉力Fs。

大量計算數據分析表明，Fs隨ξ先增大后減小，隨β，L0的增大而減小。因此，分別選取最危險的狀態，即ξ=0°，β=5°，L0=2.5 m。圖11所示為最危險狀態時Fs隨Lw，Ls變化的三維關系曲面。由圖可知，Fs隨Lw，Ls的增大而減小。當Ls=0～11 m時，Fs增長較快；Ls=11～50 m時，Fs變化很小，其值保持在100～200 kN之間。

4）桁桿端部到滑輪圓心鋼纜拉力Fh。

Fh隨ξ的增大而增大，隨β，L0的增大而減小。當Lw=15～24 m，Ls=15～29 m時，Fh變化不大，其值保持在50～100 kN之間。由于值較小且變化不大，相應的曲線圖略。

圖11Fs隨Lw和Ls變化的三維曲面Fig.11 Variation ofFswith respect toLwandLs

5 結論

本文采用一種新型的雙桁架拖網漁法，解決了常規的南極磷蝦尾拖網捕撈方式效率較低的問題，達到了提高南極磷蝦捕撈效率的目的。通過系統結構建模方法，深入分析了雙桁架系統在吊放和作業狀態下的結構受力情況，得到如下結論：

1）風浪擾動狀態下，ξ≯20°，Lw=15～24 m，Ls=15～29 m時，Fc，Fg，Fs，Fh平穩變化，此時，不會對雙桁架結構的構件造成受力突變。

2）作業狀態下，Lw=15～24 m，Ls=15～29 m時比較合適。對于ξ＞20°，考慮到船舶的安全性和操縱性，此時不適合使用雙桁架系統進行捕撈作業。

本文通過理論分析和仿真計算的方式確定了雙桁架系統的設計參數，該系統尚未經過試驗驗證和實際作業工況的檢驗，需要在以后的設計中進一步改進和完善。

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Twin-truss system design for antarctic krill trawl processing ship

ZHOU Chungkai，WANG Wei
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Aiming to improve the fishing efficiency of antarctic krill processing ships by averting the potential crushing of krill in the trawl to meet quality requirements,a twin-truss system design is proposed which has higher efficiency compared with the traditional system installed in ships.To simulate this design,an analysis of forces acting on the twin-truss structure is conducted under tethered and operating conditions using the structure model method,and an appropriate distance between trawl winch and truss structure,as well as the range for limiting the distance of the horizontal locating cable and truss structure,are obtained.It can also prevent the truss structure from breaking down,enabling the efficiency of trawling and horizontal locating cables during fishing operations.The simulation shows that the new twin-truss system design can improve the efficiency of trawl processing ships,whilst maintain the safety of the truss structure.This design can provide an optimal solution for the truss systems of national antarctic krill processing ships.

antarctic krill trawl processing ship；twin-truss design；mechanical analysis；trawl

U674.45

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.03.013