基于晃蕩載荷的養魚水艙操作平臺結構強度分析

王 靖，王 僑，張 怡，崔銘超

(1 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092；2 青島海洋科學與技術國家實驗室 深藍漁業工程聯合實驗室，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)

在深遠海作業的養殖工船主甲板下設有多個用于養殖魚類的養魚水艙，該艙類似液貨船液艙。與常規液貨船不同的是，養殖工船在波浪中航行或錨泊時，由于養殖作業要求，養魚水艙養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境中較大的激勵時，養魚水艙內的水體會發生比較常見的如駐波、組合波和飛濺等晃蕩現象[1-3]。到目前為止，關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、設計院和船廠等對多種液貨船的液體晃蕩對船體結構影響進行了研究[6-10]，但對于新船型養殖工船養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。

在養魚水艙內水體液面上方，沿艙壁四周設有觀察、養殖操作等功能的鋼質平臺，即操作平臺。養殖人員在艙內操作平臺上工作時，為保證養殖人員安全，避免艙內水體晃蕩嚴重時對人員產生拍擊，該操作平臺具有阻擋水體飛濺和拍擊功能，設計為非開孔結構平臺。由于水體強烈的晃蕩對液艙內平臺結構產生沖擊，嚴重時會造成工作人員傷害及船體結構破壞[11-18]，艙內操作平臺結構強度要進行分析計算。本研究主要對養殖工船養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

養殖工船在船中設縱艙壁將養魚水艙分為左、右液艙，設多個橫艙壁將養魚水艙在船長方向均勻分開。養魚水艙及操作平臺的橫剖面示意圖見圖1。正常養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魚水艙的大小符合中國船級社《液艙晃蕩載荷及構件尺寸評估指南》(下文《指南》)的適用范圍[19]。為了滿足養魚水艙適漁性要求[20-21]，該艙艙壁上的筋、梁和縱橫框架等支撐結構均設在艙外側，養魚水艙內不設置制蕩艙壁。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、養魚水艙參數如表1所示。

表1 船型及艙型參數

圖1 養魚水艙及操作平臺示意圖

2 晃蕩載荷

2.1 載荷概述

養魚水艙內的操作平臺設于水體液面上方，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]。局部載荷有艙內水體晃蕩運動產生的晃蕩載荷、工作人員載荷、放置在操作平臺上的設備產生的載荷；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。總體性載荷根據中國船級社《鋼制海船入級規范》(簡稱《鋼規》)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水體晃蕩載荷，其他載荷均可通過設備資料等得知，依據《指南》對養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，即養魚水艙內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，當養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計算依據公式(3)和(4)，計算結果見表2。

(1)

(2)

式中：kr為所考慮裝載工況的橫搖回轉半徑，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

晃蕩載荷依據養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計算水平一下的晃蕩載荷；當養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，且養魚水艙內水體縱搖、橫搖運動周期在晃蕩諧振周期范圍內時，計算晃蕩運動水平二下的晃蕩載荷；當養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，且養魚水艙內液體縱搖、橫搖運動周期在晃蕩諧振周期范圍內時，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，使其結構強度滿足要求。

2.4 晃蕩載荷計算

艙高h為20.4 m，步長設為0.05h，滿艙和部分裝載的計算高度0.05～0.95h，具體見表2。當養魚水艙內裝載超過0.15h后，艙內水體的晃蕩周期不在晃蕩諧振周期范圍內。依據晃蕩水平等級判斷，裝載高度超過0.15h后，結合養魚水艙的艙長、艙寬和艙高等參數不需要進行晃蕩水平二和晃蕩水平三下的晃蕩載荷計算。養魚水艙內操作平臺位于0.80h以上，該處只需計算晃蕩水平一下晃蕩載荷。艙內水體橫向和縱向晃蕩載荷計算分別依據公式(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 操作平臺結構分析

3.1 計算模型

操作平臺位于養魚水艙內，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。操作平臺的有限元模型坐標系同艙段模型[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。操作平臺結構為船用普通鋼材料。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 有限元模型坐標系統

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《鋼規》雙殼油船結構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 應力衡準和計算結果

依據該船所養魚類對海況的要求，養殖工況對船體結構強度要求小于航行工況[28]，航行工況下的結構強度滿足要求，則其他工況也滿足要求。應力衡準依據《鋼規》進行選取，該平臺屬于構件分類中的其他類，材料為船用普通鋼，許用應力為195 N/mm2，見表3。

壓載工況時，養魚水艙內沒有水體，艙內沒有水體晃蕩產生，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，最大應力為4.99 N/mm2，具體分析結果見圖4。

圖4 總體性載荷強度分析結果

非滿艙裝載時水體產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，經分析計算，各個結構單元應力水平均滿足“鋼規”衡準要求，計算結果見圖5顯示。該平臺結構最大應力位置為艙內平臺四角處，最大應力124 N/mm2，利用率為64%，去除四角位置由于集中應力影響的單元，該平臺最大應力為64 N/mm2，位于平臺的加筋處，該位置的應力更接近實際情況。根據應力云圖，四角處可較其他位置適當加強，另外操作平臺設于養魚水艙，長期處于富氧、潮濕的環境中，設計時要適當考慮惡劣環境造成嚴重腐蝕，適當增加操作平臺板材板厚[29-30]。

圖5 操作平臺強度分析結果

4 結論

養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，其結構響應情況主要是艙內水體壓力和其晃蕩運動載荷決定。對于平臺四角應力較大區域，可采取局部加強措施。