捕魚中和豐收返港工況下遠洋秋刀魚船整船強度分析

舒 鈺，謝永和，王貴彪

(1浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江 舟山，316022；2 浙江省海洋水產研究所，浙江 舟山，316021)

舷外起網是漁船的一種特殊作業工況，包括桁拖漁船、圍網漁船、舷提網作業漁船等在內的多種船型都需要利用吊桿將漁獲從舷外起吊至船上[1]。與常規起重船不同，漁船必須在海況相對惡劣的漁區進行起網且無法調整自身裝載，給漁船的起網作業帶來了很大的危險。為了保證船體結構和船上作業人員的安全，根據秋刀魚船的實際作業工況，對船舶在起網時的波浪載荷和結構強度進行計算具有一定的現實意義，也可以為該型漁船的研究與優化提供一定的指導意義。中國對遠洋漁船結構強度的直接計算較少，對長度<65 m的漁船甚至不要求計算總縱強度，因此，目前情況下采用全船有限元分析是對秋刀魚船進行強度校核計算行之有效的方法，而這種方法也被各國船級社廣泛采用[2-4]。

以53 m遠洋秋刀魚船為研究對象，通過定義船型橫傾和加載彎矩的形式模擬船型的起網狀態，利用SESAM軟件對船型在典型工況下的起網狀態和正常航態進行波浪載荷長期預報，并利用設計波法對船型在同工況下的起網與不起網狀態的結構強度進行對比與分析。

1 船型概況

目標船型為鋼質、單甲板、雙層底、單機、單槳、橫骨架式結構、艉機型的秋刀魚船，作業海域為西北太平洋，作業方式為光誘舷提網作業[5-6]。其主要尺度為：總長(LOA)53 m；設計吃水(d)3.3 m；垂線間長(Lpp)44.30 m；方形系數(Cb)0.725 6；型寬(B)8.00 m；型深(D)4.00 m；設計排水量(△)878.60 t；設計航速(v)12 kn。根據《遠洋漁船法定檢驗技術規則(2019)》[7]，結合《國內海洋漁船法定檢驗技術規則(2019)》[8]相關內容，選取捕魚中和豐收返港兩種工況作為計算漁船起網工況的裝載情況(表1)。

表1 裝載工況主要參數

2 波浪載荷計算

2.1 水動力模型及參數設置

計算浪向角為0°～180°，選取13個浪向角，其間隔為15°。頻率在0.2～2.0 rad/s的范圍內選取，步長取0.05，共37個。通過定義不同的橫傾角模擬船型起網時船型的狀態，分析兩種裝載情況下起網和不起網對船體波浪載荷的影響。應用船體外板的結構有限元模型網格，截取水線以下船體外表面為濕表面，以此作為水動力計算單元，去除模型中的梁單元后生成水動力濕表面模型[9-11](圖1)。

圖1 濕表面模型

2.2 計算結果

根據船型的作業海域，利用西北太平洋波浪散布圖[12]對船型在垂直波浪彎矩和扭矩兩個參數進行長期預報，分析本船型在捕魚中和豐收返港兩種工況下起網和不起網狀態對于船體波浪外載荷的影響。圖2和圖3為在超越概率水平10-8下垂直波浪彎矩和扭矩值沿船長的分布情況。由圖2可知，這是該船在中拱狀態下的垂向波浪彎矩沿船長的分布曲線，且滿載時仍處于中拱狀態，說明漁獲質量仍低于中部排水質量，可以考慮在此設置壓載艙室；無論是否起網，豐收返港工況下的垂直波浪彎矩均比捕魚中工況大，且最大值均出現在船中附近，這與船級社規范中沿船長的垂向波浪彎矩分布趨勢相同[13]。起網狀態的波浪彎矩較不起網狀態的彎矩大，且捕魚中工況的兩種狀態相對差值比豐收返港工況大。由圖3可知，在105°浪向時，豐收返港工況的扭矩較捕魚中工況大，扭矩在1/4L(L表示船長)和3/4L附近處出現了極大值，且在3/4L附近處為最大值，同時捕魚中工況扭矩的兩個波峰比豐收返港工況的波峰更靠近船中。這與最大扭矩出現在離船首或船尾約1/4L到1/3L處的結論一致，且由于浪向角為105°，為首斜浪，最大扭矩應出現在近船首處[14]，這與圖3中最大扭矩出現在3/4L附近處的結論相同，因此可以認為圖3的結論是可信的。

圖2 迎浪時船體剖面垂向波浪彎矩分布

圖3 105°浪向時船體剖面扭矩分布

圖4和圖5分別為垂直波浪彎矩和扭矩在不同浪向的分布情況。由圖4可知，各工況下垂直波浪彎矩在浪向為180°時最大，且豐收返港工況在30°～180°浪向內的彎矩值均比捕魚工況大，而在0°～30°浪向內的彎矩值比捕魚工況小。此外，豐收返港工況下，不起網狀態下垂直波浪彎矩值均比起網狀態下大，而在捕魚中工況下，在絕大部分浪向角下(除15°～55°浪向角)，不起網狀態下的垂直波浪彎矩值卻比起網狀態下小；而且還可以看出，垂向波浪彎矩在迎浪和順浪時較大，并隨浪向趨近橫浪時逐漸減少[15]，這是符合實際的。然而與之不同的是，浪向在尾斜浪和橫浪范圍內多了一個先增大后減少的過程，這可能與這種船型的特殊性及布置方式有關。

圖4 垂直波浪彎矩在不同浪向的分布

圖5所示，在扭矩方面，豐收返港工況下的扭矩較捕魚中工況大，且扭矩在105°左右浪向時以單峰形式出現最大值，說明本船滿載時在橫浪航行時扭轉問題更嚴重；而捕魚工況則在浪向為60°和120°附近以雙峰形式出現極大值，說明捕魚中工況下本船在斜浪航行時扭轉問題更嚴重[16]。同時，豐收返港起網狀態的扭矩值較不起網狀態的扭矩值大，兩種狀態扭矩的差值在靠近0°和180°浪向時出現較大值；而在捕魚中工況中起網狀態的扭矩值反而比不起網狀態小，兩者扭矩差值的最大值出現在90°浪向附近。

3 全船有限元強度計算

3.1 全船結構模型

作為一種分析船舶結構的重要方法，有限元分析的發展也越來越完善，相關軟件如Sesam、Patran、Ansys等也越來越多。通過建立全船結構模型，進行全船有限元分析來了解船體的受力和變形情況[17]。根據船型的相關圖紙采用笛卡爾直角坐標系建立秋刀魚船整船三維結構有限元模型(圖6)，其原點位于舵桿中心線與基線的交線上，x軸正向為船首方向，y軸正向為左舷，z軸正向則為沿型深向上[18]。船型結構中外板、甲板等板殼以及肋板、強構件的面板與腹板采用板單元模擬，而肋骨、扶強材等則采用梁單元模擬，并對船型內小開口、肘板等進行簡化或忽略處理[19-20]。

圖6 全船模型

3.2 計算工況及邊界條件

為比較該船型在起網與不起網狀態下整船結構強度的變化情況，以豐收返港為例，根據本船實際作業海域，利用設計波法對兩種情況下的結構強度進行分析，選取對船型響應影響最大的波浪，設計波參數見表2。

表2 各裝載狀態設計波參數

各艙室的裝載依據《船舶與海上設施法定檢驗規則》[21]的有關要求進行定義，船型舷外起網的載荷則直接以彎矩的形式加載至模型對應區域。邊界條件則按照《鋼質海船入級建造規范(2018)》[22]的有關要求確定。

3.3 計算結果

3.3.1 總縱強度

根據選取的工況和對應的設計波參數，利用SESTRA模塊進行結構強度分析。圖7是豐收返港不起網工況下的相關應力云圖與變形云圖(LC01)，圖8是對應起網工況下的應力云圖和變形云圖(LC03)。

圖7 豐收返港不起網工況

圖8 豐收返港起網工況

豐收返港工況下，浪向為180°時，船中具有最大的垂直波浪彎矩。在該設計波作用下，從圖7A和圖8A可以看出，船體各部分應力分布均較為均勻，整體強度滿足要求。從圖7(B、C)和圖8(B、C)可以看出，在變形方面，不起網時船體變形最大處位于船型中尾部，左右舷的變形情況基本一致；起網時船體外殼和主甲板變形都表現為右舷的變形量明顯大于左舷，且最大變形量都大于不起網工況。

3.3.2 扭轉強度

圖9是LC02對應的設計波參數下的全船應力云圖和相關變形云圖，圖10是LC04對應的設計波參數下的全船應力云圖和相關變形云圖。在浪向為105°時，船長3/4 L處具有最大的波浪扭矩。在該斜浪的作用下，整船應力均勻，未出現應力集中現象。而在波浪扭轉載荷的作用下，整船變形最大的區域位于船首舷墻和駕駛室上，并分別向z軸負方向減小，在球艏區域變形為最小；而在主甲板變形上，右舷大于左舷而船首大于船尾，并在船尾船中處達到最小。

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圖9 豐收返港不起網工況

圖10 豐收返港起網工況

3.4 結果分析

3.4.1 總縱強度工況分析

在總縱強度方面，船體各部分應力分布均較為均勻。豐收返港起網工況中的船體外殼和甲板變形量基本大于不起網工況中變形量。船體外殼和主甲板變形量最大處位于船舶中尾部，這是與漁船的機械設備設置在中尾部有關。從左右舷的變形來看，起網時右舷的變形明顯大于左舷，這是因為起網時漁船有嚴重的左傾，導致右舷的變形量急劇增加，而不起網工況下左右舷的變形量基本相同，且大于起網狀態下左舷的變形而小于起網時右舷的變形量。從甲板變形來看，不起網狀態下甲板變形大的區域集中在中尾部，起網狀態下由于漁船左傾使得靠近右舷的甲板的變形量明顯增大。頻繁的變形容易導致疲勞破壞，縮短船舶正常的使用壽命，由此可見，船舶起網工況中橫傾所引起的船舶變形是該型漁船設計中一個不容忽視的問題。

3.4.2 扭轉強度工況分析

在扭轉強度方面，全船各部分的應力仍然比較均勻。豐收返港起網工況下全船的變形量明顯大于不起網工況，主甲板的變形有著從尾向首、從中部向兩舷不斷增加的趨勢，且不起網工況下右舷的變形量較左舷的偏大。計算結果表明：整船變形最大的區域位于船首舷墻和駕駛室上，并分別向z軸負方向減小。這是因為船首舷墻和駕駛室離扭轉中心的距離最遠，而扭矩在各個位置產生的應力與扭轉中心的距離成正比，故這些位置的危險性自然也最大[23]，在進行船舶設計時需要重點關注這些區域，必要時可做增加板厚等相應措施。在球艏區域變形為最小，這與球艏減阻的作用一致。在主甲板變形上，無論是否起網，漁船右舷的變形量都大于左舷，起網工況下主要是由于船舶左傾導致的，不起網工況下是由該船的裝載方式引起的。另外，船首變形量大于船尾，并在船尾船中處達到最小，這與船舶在橫浪中航行時，在船首附近的主甲板應力最大的結論一致[24]。

本研究利用SESAM軟件對秋刀魚船進行了結構強度分析，通過全船有限元分析(建立全船有限元模型，正確施加設計彎矩和載荷)得到了相關工況下的應力云圖和變形云圖，與傳統采用梁理論的方法(把船體簡化為工程梁，通過計算船體梁的剖面模數和利用該位置的設計彎矩計算船體總縱強度彎曲應力)[25]相比，優勢在于能夠模擬各種幾何形狀復雜的船舶結構，了解各個構件的應力與變形情況并找到應力集中區域，從數據和圖像兩方面對漁船強度進行校核，比較直觀準確。缺點在于建模的工作量很大以及精確度浮動性比較大，這基于個人建模的水平和邊界條件、載荷工況的模擬是否真實等等。另外，本研究只分析了豐收返港的相關工況，在捕魚工況下是否有著相同規律還需要進一步研究。

4 結論

利用DNV SESAM軟件，通過定義船型橫傾角以及在模型中適當位置施加彎矩的形式模擬了漁船舷外起網的狀態，分析了秋刀魚船在捕魚中和豐收返港兩種工況下舷外是否起網對船體波浪外載荷的影響，驗證了垂直波浪彎矩和波浪扭矩與船長(浪向)之間的相關規律的準確性。同時利用有限元軟件對長度<65 m的秋刀漁船進行了結構強度分析，得到了對應工況下全船大致的應力分布范圍與變形情況。本研究可為漁船設計和結構強度校核提供一定參考：在該型漁船設計時，應特別考慮漁船在橫浪和斜浪中航行的扭轉問題；對于變形量增大的右舷甲板(漁船橫傾引起)、遠離扭轉中心的船艏舷墻和駕駛室等部位應做適當加強。

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