桁拖漁船主吊桿及主桅支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

王貴彪， 張海波， 李國強(qiáng)， 楊衛(wèi)華

(1.浙江省海洋水產(chǎn)研究所， 浙江 舟山 316021； 2.浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院， 浙江 舟山 316022；3.舟山市定海區(qū)漁船檢驗站， 浙江 舟山 316000)

0 引 言

吊桿和主桅是漁船生產(chǎn)作業(yè)的重要設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于采用桁拖、圍網(wǎng)、抄網(wǎng)等不同漁法的漁船上。

目前，針對起重船及其臂架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析已比較成熟[1-4]，而漁船不僅作業(yè)方式有別于起重船，而且作業(yè)海況條件也遠(yuǎn)比起重船惡劣[5]，因此漁船應(yīng)用起重船的相應(yīng)規(guī)范顯然不合適，須結(jié)合漁船作業(yè)時的裝載工況以及起吊漁獲物的情況進(jìn)行具體分析。

本文參照《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)》[6](以下簡稱“規(guī)范”)和《鋼質(zhì)國內(nèi)海洋漁船建造規(guī)范(2019)》[7]，在對主吊桿起吊漁獲物的工況進(jìn)行簡化的基礎(chǔ)上，利用MSC.Patran/Nastran對38 m鋼質(zhì)桁拖漁船的主吊桿及主桅的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，以期為今后細(xì)化漁船作業(yè)工況以及設(shè)計與安裝類似漁船主桅桿提供參考。

1 主吊桿及主桅概況

以某近海38 m桁拖漁船作為研究對象，該船主桅位于靠船首的位置，主吊桿主要用于拖網(wǎng)桁桿和漁獲物的起重，主尺度如表1所示。

表1 38 m鋼質(zhì)桁拖漁船主尺度 m

該船的主吊桿本體有效長度約6.0 m，其旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)距主甲板約1.2 m，為回旋式吊桿裝置。主吊桿與主桅穩(wěn)索的支點(diǎn)位于主甲板以上5.8 m處，主桅通過兩根鋼絲繩承擔(dān)吊桿起吊的拉力。主吊桿及主桅簡要布置如圖1所示。

圖1 桁拖漁船主吊桿及主桅布置簡圖

2 有限元模型

2.1 有限元結(jié)構(gòu)模擬

應(yīng)用MSC.Patran軟件分別建立主吊桿和主船體的模型，x軸沿船體縱向指向船首，y軸沿船寬方向指向左舷側(cè)，z軸沿船體垂向。模型采用板單元和梁單元模擬，其中船體的模型范圍為主桅前后的1/2個魚艙+1個魚艙+1/2個魚艙，并將主桅與甲板連接處的網(wǎng)格細(xì)化。主吊桿模型如圖2所示。主桅及船體模型如圖3所示。

圖2 主吊桿有限元模型

圖3 主桅及船體模型

2.2 計算工況選取

為便于計算，將桁拖漁船把舷外網(wǎng)囊及漁獲物起吊并移動至甲板理魚區(qū)這一步驟拆分成漁獲物在船舷外起吊、舷外漁獲物起升至一定高度和將舷外漁獲物移動至甲板理魚區(qū)等3個工況進(jìn)行分析。根據(jù)資料估算，在舷外起貨時，船舶橫傾角及縱傾角均小于規(guī)范指定的船舶狀態(tài)，因此計算中的船型狀態(tài)仍參照規(guī)范要求，即橫傾5°、艏傾2°。起吊質(zhì)量為漁網(wǎng)單個網(wǎng)囊及其內(nèi)漁獲物質(zhì)量，而遇到漁獲物較少的情況則由人力進(jìn)行起貨。在起貨時，絞綱機(jī)通過兩根鋼絲繩緩慢提升吊桿，鋼絲繩全部拉緊并承受吊桿自重、風(fēng)載以及漁獲物質(zhì)量等載荷，但受漁船作業(yè)海況惡劣等因素的影響，可能出現(xiàn)只有單根鋼絲繩受力的情況。為分析各工況下吊桿的受力變化，分別在每個工況下選取兩根鋼絲繩同時受力及單根不同的鋼絲繩單獨(dú)受力等3種情況作為分析工況，如表2所示。其中，工況1為漁獲物在船舷外起吊，工況2為舷外漁獲物起升至一定高度，工況3為舷外漁獲物移動至甲板理魚區(qū)，LCn1、LCn2、LCn3(n=1,2,3)分別為兩根鋼絲繩同時受力、吊桿端部鋼絲繩單獨(dú)受力、吊桿中部鋼絲繩單獨(dú)受力的工況。

表2 3種不同情況下吊桿受力計算工況

漁船風(fēng)載參照《國內(nèi)海洋漁船法定檢驗技術(shù)規(guī)則(2019)》[8]對近海漁船的要求來選取，風(fēng)向取組合載荷后的最不利方向，主吊桿自重以慣性力的形式施加。

2.3 邊界條件設(shè)置

主船體及主吊桿模型的邊界條件設(shè)置如表3所示。

表3 主船體及主吊桿模型邊界條件

3 計算結(jié)果及分析

對主吊桿進(jìn)行強(qiáng)度分析后，分別從工況1～工況3中選取主吊桿應(yīng)力最大的工況，并讀取主桅鋼絲繩處以及主吊桿與主桅支點(diǎn)處的約束反力，并加載至船體模型的相應(yīng)位置，進(jìn)而計算船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.1 許用應(yīng)力

3.2 強(qiáng)度校核

由表4可知，各工況主吊桿及主桅所有構(gòu)件的最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。在漁船舷外起漁獲物過程中，工況2中主桅與船體應(yīng)力最小、主吊桿應(yīng)力最大。對于主桅和船體結(jié)構(gòu)而言，舷外起網(wǎng)是這一過程中最危險的工況，此時主吊桿的工作角度與船長方向成40°，仰角為15°；而對吊桿而言，舷外起網(wǎng)至一定高度時為最危險工況，此時其工作角度與船長方向成40°，仰角為70°。

當(dāng)兩根鋼絲繩同時受力時，吊桿的應(yīng)力比單獨(dú)某根鋼絲繩受力時小得多；當(dāng)?shù)鯒U端部鋼絲繩(靠近起吊物的鋼絲繩)單獨(dú)受力時，吊桿的應(yīng)力比吊桿中部鋼絲繩單獨(dú)受力時大得多。因此，在實際作業(yè)時應(yīng)盡可能避免端部鋼絲繩單獨(dú)受力的情況。

表4 各工況下主吊桿、船體和主桅應(yīng)力匯總 MPa

由圖4～圖6可知：工況2，單根鋼絲繩受力時的吊桿應(yīng)力明顯大于兩根鋼絲繩同時受力時的吊桿應(yīng)力，且吊桿端部鋼絲繩單獨(dú)受力時的應(yīng)力比中部鋼絲繩單獨(dú)受力時應(yīng)力大50%左右。在兩根鋼絲繩受力(LC 21)時，應(yīng)力主要集中于吊桿端部，而其余部分應(yīng)力較小；在單根鋼絲繩受力(LC 22和LC 23)時，應(yīng)力最大處雖仍在鋼絲繩約束處，但應(yīng)力明顯向吊桿尾部延伸，且面向甲板側(cè)的吊桿應(yīng)力明顯小于其背面區(qū)域。

圖4 LC 21主吊桿等效應(yīng)力云圖

由圖7～圖9可知：對于主桅，工況1和工況3的應(yīng)力均大于工況2的應(yīng)力，且各工況的應(yīng)力最大區(qū)域均位于吊桿與主桅連接區(qū)域附近，并沿主桅上下兩端逐漸減小。主桅與甲板間的肘板也承受了較大的應(yīng)力，因此在設(shè)計時須采用尺寸較大的肘板，以保證主桅與甲板連接處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖5 LC 22主吊桿等效應(yīng)力云圖

圖6 LC 23主吊桿等效應(yīng)力云圖

圖7 工況1主桅等效應(yīng)力云圖

圖8 工況2 主桅等效應(yīng)力云圖

圖9 工況3 主桅等效應(yīng)力云圖

如圖10～圖12所示，在主船體方面：工況1和工況3的應(yīng)力較大區(qū)域均集中在艙壁上端，而工況2的應(yīng)力較大區(qū)域位于主甲板；各工況起漁獲物一舷的應(yīng)力明顯大于另一舷，而工況3的應(yīng)力云圖基本呈對稱分布。因此，在詳細(xì)設(shè)計時，可在主桅附近設(shè)置強(qiáng)橫梁或加大艙壁厚度和扶強(qiáng)材尺寸以保證船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4 結(jié)論與展望

吊桿及主桅是桁拖漁船漁撈設(shè)備的重要組成部分，由于漁船吊桿工況比一般起重船復(fù)雜，目前漁船吊桿及主桅的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究較少。本文將漁船舷外起漁獲物的工況進(jìn)行簡化與拆分，利用MCS.Patran軟件建立主吊桿及主桅、船體的有限元模型，并采用提取約束反力的方法將主吊桿與主桅的載荷傳遞聯(lián)系起來，對兩者的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

圖10 工況1主船體等效應(yīng)力云圖

圖11 工況2主船體等效應(yīng)力云圖

圖12 工況3主船體等效應(yīng)力云圖

(1) 各工況主吊桿及主桅所有構(gòu)件的最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。各工況應(yīng)力最大區(qū)域均位于吊桿背面穩(wěn)索區(qū)域、吊桿與主桅連接區(qū)域以及主桅與甲板連接區(qū)域附近。

(2) 在單根鋼絲繩受力時主吊桿的應(yīng)力明顯大于兩根鋼絲繩受力時的應(yīng)力，且靠近起吊物的鋼絲繩單獨(dú)受力時的吊桿應(yīng)力大于另一根鋼絲繩單獨(dú)受力時的應(yīng)力。因此，在實際作業(yè)時，應(yīng)盡可能使兩根鋼絲繩同時受力，尤其應(yīng)盡可能避免靠近起吊物的鋼絲繩單獨(dú)受力。

(3) 在舷外起漁獲物并移動至甲板理魚區(qū)這一過程中：主吊桿的應(yīng)力先增大后減小，在將漁獲物起吊至一定高度時達(dá)到最大；主桅桿和主船體的應(yīng)力則先減小后增大，在舷外起漁獲物時應(yīng)力最大。

(4) 主桅下的艙壁以及中內(nèi)龍骨均承擔(dān)了一定的應(yīng)力，這部分應(yīng)力的傳遞也保證了主桅的強(qiáng)度，使甲板與主桅的連接處避免應(yīng)力集中。在漁船主桅位置的設(shè)計上，應(yīng)盡可能將其焊接在艙壁上，并直接延伸至船底的中內(nèi)龍骨，以保證起吊漁獲物或漁具的應(yīng)力在主船體上傳遞。

由于桁拖漁船吊桿的作用較復(fù)雜，僅對其作業(yè)中舷外起漁獲物的步驟進(jìn)行簡化、拆分與計算，桁拖漁船在整個捕撈作業(yè)中的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需進(jìn)行進(jìn)一步分析。