基于SESAM的遠洋秋刀魚漁船結構強度評估

張金岐，楊子恒，王 偉，李國強

(浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江 舟山 316022)

漁船作為海洋捕撈的重要工具，對其結構強度研究很有必要。早期研究將船體簡化為梁來計算結構強度，雖然計算方便，但是誤差較大。隨著有限元分析在船舶領域廣泛應用后，有限元分析已經成為船舶結構分析的重要方法[1-6]。有限元分析軟件的發展也不斷完善，其中用于船舶主要有Sesam、MSC/Patran、Ansys等。目前，應用有限元分析法計算船舶結構強度已被船舶設計研究所和船級社廣泛承認和采用[7-9]。通常，有限元分析一般用于散貨船、油船等商船[10-12]，對漁船特別是秋刀魚漁船的結構強度的直接計算很少。《鋼質遠洋漁船建造規范》[13]中對大于65 m的船才要求計算總縱強度，中國遠洋漁船一般長度小于65 m，即便超過65 m，船舶的波浪彎矩也由經驗公式獲得，用于校核剖面結構與總強度等，而漁船與常規商船的型線存在很大區別，無平行中體，且漁船實際作業工況復雜，環境載荷很難簡單地用經驗公式計算。全船有限元分析方法就是將整個船體結構離散成能夠精準模擬其承載模式和變形情況的有限單元[14-18]，以準確反映船體受力與變形情況。

為更好地設計秋刀魚漁船，有必要根據實際海況的載荷進行全船有限元計算，來評估該類漁船的結構強度，通過模擬得出該船應力分布情況和應力集中區域，在設計同類漁船時加以關注，為相關漁船設計提供參考。

1 秋刀魚漁船與有限元計算

1.1 秋刀魚漁船

選用的秋刀魚漁船為鋼質全焊接遠洋漁船，船舶主體結構為橫骨架式，整體結構為單層底結構，儲魚區域為雙層底結構。主船體設置7道水密橫艙壁，船中各個艙室可滿足正常生活工作需要。其船型主尺度見表1。

秋刀魚漁船是一種用于秋刀魚捕撈的漁船[19]，作業時大部分采用光誘舷提網操作[20-21]。其工作原理是在儀器探測到魚群時，船上開啟安裝在舷側的集魚燈，等到魚群聚集在燈光照射范圍內時關閉左舷集魚燈，魚群被吸引至右舷后在左舷張開網具，然后打開左舷的集魚燈，關閉右舷集魚燈，左舷集魚燈只保留紅燈，可使魚群吸引至水面位置，最后起網捕撈。

表1 船型主尺度

1.2 有限元模型與計算

1.2.1 有限元模型

本文采用的Sesam軟件建模分析。模型如圖1所示。

圖1 全船模型

模型的建立根據笛卡爾坐標系，以舵桿中心線與基線的交點為原點，X軸方向由船尾朝向船首，Y軸方向由右舷朝向左舷，Z軸方向由船底朝向甲板。模型范圍為全船，整體鋼板結構采用板元模擬，肋骨和加強筋等采用梁單元來模擬，有些小開口忽略。

1.2.2 漁船裝載工況

秋刀魚漁船裝載主要是魚、燃油、淡水和食品，工況參照遠洋漁船的要求來進行裝載計算。最大載貨(總質量)：秋刀魚217.6 t，燃油192.1 t，淡水64.1 t，食物7.2 t。主要裝載量根據《漁業船舶法定檢驗規則》[22]確定，具體見表2。

表2 各裝載工況裝載比例

1.2.3 設計波工況

設計波法是在船舶作業時用所處位置最危險的規則波來代替實際波浪[23]，被用作波浪載荷參數來計算全船有限元，此時認為船舶在該條件下航行最嚴峻。如果此時的船體結構仍然滿足要求，那么認為船舶的強度是滿足要求的。采用的設計波根據漁船實際作業海域來確定，根據西北太平洋長期波浪載荷的統計[24]，設計波參數見表3。

表3 設計波參數

1.2.4 邊界條件

在進行結構強度計算時，應對船體施加約束來限制其位移。邊界條件施加按照中國船級社(CCS)發布的《鋼質遠洋漁船建造規范(2018)》[13]來確定：1)球鼻艏下面點2施加X、Y、Z軸方向位移約束；2)尾封板位置點3、4施加Z軸向的位移約束；3)舵桿下面點1施加Y軸向位移約束(圖2)。

1.2.5 強度校核標準

在對整船進行有限元結構強度計算后進行結果分析時，如果某些單元網格較差，則出現應力集中或約束點周圍的某些網格可以忽略。對于板格單元，其應力表達式為[25]：

(1)

式中：σx—x方向上的單元應力，MPa；σy—y方向上的單元應力，MPa；τxy—在xy平面上的剪應力，MPa。

圖2 邊界條件

參考文獻[26]，結構許用應力取為：

[σe]=0.95σf

(2)

式中：σf—鋼材的最小屈服應力。本文模型由中國船級社(CCS)A級和E級鋼建造，屈服應力235 MPa，楊氏模量2.06×105MPa，質量密度7 850 kg/m3。CCS E級鋼只用在凍結間的一部分甲板，其余為A級鋼，根據上式得出許用應力為223 MPa。

2 結果與分析

2.1 橫向彎矩工況分析

以最大水平波浪彎矩作為設計波，從結果(圖3)中可以看出，在變形方面，艉部整體大于艏部，右舷大于左舷，工況L5右側變形最明顯。

圖3 工況L1、L3、L5下的變形圖和應力分布圖

工況L1和L3的變形最大處在羅經甲板上、救生甲板前半段以及救生甲板和艉樓甲板之間的艙壁上；工況L5最大變形處位于羅經甲板右側、駕駛甲板右側以及右舷部分舷墻以及舷墻下方部分舷側外板。在強度方面，工況L1應力較大處位于駕駛室與艉樓甲板相交的兩個端點處、駕駛室前艙壁和主甲板相連接的兩個端點處；工況L3應力較大處位于艉樓甲板與主甲板相交艙壁位置處；工況L5應力分布比較均勻。設計船舶時應該重點關注這些應力集中區域，必要時可以做加強。

圖4 工況L2、L4、L6下的變形圖和應力分布圖

2.2 總縱強度工況分析

以最大垂直波浪彎矩作為設計波，從結果(圖4)中可以看出，在變形方面，工況L2和L4的變形最大處在羅經甲板上、救生甲板前半段以及救生甲板和艉樓甲板之間的艙壁上；工況L6最大變形處位于主甲板中間部分。在強度方面，工況L2應力較大處在駕駛室后艙壁與艉樓甲板和救生甲板分別相交的兩個端點處；工況L4應力較大處位于艉樓甲板和主甲板相交的艙壁中間部分。工況L6中應力分布比較均勻。

由結果可知，船首、船尾的應力和變形小于船中，因為所采用的秋刀魚漁船壓載和機械設備設在艏部和艉部。L4工況顯示中部浮力大于艏部和艉部，此時呈現中拱狀態；L2工況為滿載狀態，但漁獲物輕于中部排水體積，從而顯示出中拱狀態。鑒于空載與滿載工況都呈中拱狀態，建議將壓載艙室設在船中。

3 結論

計算結果表明：1)剔除約束點附近的應力集中單元，模型的應力全部滿足許用要求；2)工況結果顯示駕駛室后艙壁與艉樓甲板、救生甲板分別相交的兩個端點處，艉樓甲板和主甲板相交艙壁處的應力較大；3)豐收返港工況中，中垂狀態并未出現，原因是漁船壓載和一些大型器械全都設在艏艉部，應將壓載設置在中部，以減小船體附加彎矩。本計算結果可為秋刀魚漁船提供一定的設計參考，應力集中區域應做好結構過渡或進行局部加強。此外，將壓載設置在船體中部，還可以控制船舶重心，避免空船靜水彎矩幅值過大。

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