张金岐，杨子恒，王 伟，李国强

(浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江 舟山 316022)

渔船作为海洋捕捞的重要工具，对其结构强度研究很有必要。早期研究将船体简化为梁来计算结构强度，虽然计算方便，但是误差较大。随着有限元分析在船舶领域广泛应用后，有限元分析已经成为船舶结构分析的重要方法[1-6]。有限元分析软件的发展也不断完善，其中用于船舶主要有Sesam、MSC/Patran、Ansys等。目前，应用有限元分析法计算船舶结构强度已被船舶设计研究所和船级社广泛承认和采用[7-9]。通常，有限元分析一般用于散货船、油船等商船[10-12]，对渔船特别是秋刀鱼渔船的结构强度的直接计算很少。《钢质远洋渔船建造规范》[13]中对大于65 m的船才要求计算总纵强度，中国远洋渔船一般长度小于65 m，即便超过65 m，船舶的波浪弯矩也由经验公式获得，用于校核剖面结构与总强度等，而渔船与常规商船的型线存在很大区别，无平行中体，且渔船实际作业工况复杂，环境载荷很难简单地用经验公式计算。全船有限元分析方法就是将整个船体结构离散成能够精准模拟其承载模式和变形情况的有限单元[14-18]，以准确反映船体受力与变形情况。

为更好地设计秋刀鱼渔船，有必要根据实际海况的载荷进行全船有限元计算，来评估该类渔船的结构强度，通过模拟得出该船应力分布情况和应力集中区域，在设计同类渔船时加以关注，为相关渔船设计提供参考。

1 秋刀鱼渔船与有限元计算

1.1 秋刀鱼渔船

选用的秋刀鱼渔船为钢质全焊接远洋渔船，船舶主体结构为横骨架式，整体结构为单层底结构，储鱼区域为双层底结构。主船体设置7道水密横舱壁，船中各个舱室可满足正常生活工作需要。其船型主尺度见表1。

秋刀鱼渔船是一种用于秋刀鱼捕捞的渔船[19]，作业时大部分采用光诱舷提网操作[20-21]。其工作原理是在仪器探测到鱼群时，船上开启安装在舷侧的集鱼灯，等到鱼群聚集在灯光照射范围内时关闭左舷集鱼灯，鱼群被吸引至右舷后在左舷张开网具，然后打开左舷的集鱼灯，关闭右舷集鱼灯，左舷集鱼灯只保留红灯，可使鱼群吸引至水面位置，最后起网捕捞。

表1 船型主尺度

1.2 有限元模型与计算

1.2.1 有限元模型

本文采用的Sesam软件建模分析。模型如图1所示。

图1 全船模型

模型的建立根据笛卡尔坐标系，以舵杆中心线与基线的交点为原点，X轴方向由船尾朝向船首，Y轴方向由右舷朝向左舷，Z轴方向由船底朝向甲板。模型范围为全船，整体钢板结构采用板元模拟，肋骨和加强筋等采用梁单元来模拟，有些小开口忽略。

1.2.2 渔船装载工况

秋刀鱼渔船装载主要是鱼、燃油、淡水和食品，工况参照远洋渔船的要求来进行装载计算。最大载货(总质量)：秋刀鱼217.6 t，燃油192.1 t，淡水64.1 t，食物7.2 t。主要装载量根据《渔业船舶法定检验规则》[22]确定，具体见表2。

表2 各装载工况装载比例

1.2.3 设计波工况

设计波法是在船舶作业时用所处位置最危险的规则波来代替实际波浪[23]，被用作波浪载荷参数来计算全船有限元，此时认为船舶在该条件下航行最严峻。如果此时的船体结构仍然满足要求，那么认为船舶的强度是满足要求的。采用的设计波根据渔船实际作业海域来确定，根据西北太平洋长期波浪载荷的统计[24]，设计波参数见表3。

表3 设计波参数

1.2.4 边界条件

在进行结构强度计算时，应对船体施加约束来限制其位移。边界条件施加按照中国船级社(CCS)发布的《钢质远洋渔船建造规范(2018)》[13]来确定：1)球鼻艏下面点2施加X、Y、Z轴方向位移约束；2)尾封板位置点3、4施加Z轴向的位移约束；3)舵杆下面点1施加Y轴向位移约束(图2)。

1.2.5 强度校核标准

在对整船进行有限元结构强度计算后进行结果分析时，如果某些单元网格较差，则出现应力集中或约束点周围的某些网格可以忽略。对于板格单元，其应力表达式为[25]：

(1)

式中：σx—x方向上的单元应力，MPa；σy—y方向上的单元应力，MPa；τxy—在xy平面上的剪应力，MPa。

图2 边界条件

参考文献[26]，结构许用应力取为：

[σe]=0.95σf

(2)

式中：σf—钢材的最小屈服应力。本文模型由中国船级社(CCS)A级和E级钢建造，屈服应力235 MPa，杨氏模量2.06×105MPa，质量密度7 850 kg/m3。CCS E级钢只用在冻结间的一部分甲板，其余为A级钢，根据上式得出许用应力为223 MPa。

2 结果与分析

2.1 横向弯矩工况分析

以最大水平波浪弯矩作为设计波，从结果(图3)中可以看出，在变形方面，艉部整体大于艏部，右舷大于左舷，工况L5右侧变形最明显。

图3 工况L1、L3、L5下的变形图和应力分布图

工况L1和L3的变形最大处在罗经甲板上、救生甲板前半段以及救生甲板和艉楼甲板之间的舱壁上；工况L5最大变形处位于罗经甲板右侧、驾驶甲板右侧以及右舷部分舷墙以及舷墙下方部分舷侧外板。在强度方面，工况L1应力较大处位于驾驶室与艉楼甲板相交的两个端点处、驾驶室前舱壁和主甲板相连接的两个端点处；工况L3应力较大处位于艉楼甲板与主甲板相交舱壁位置处；工况L5应力分布比较均匀。设计船舶时应该重点关注这些应力集中区域，必要时可以做加强。

图4 工况L2、L4、L6下的变形图和应力分布图

2.2 总纵强度工况分析

以最大垂直波浪弯矩作为设计波，从结果(图4)中可以看出，在变形方面，工况L2和L4的变形最大处在罗经甲板上、救生甲板前半段以及救生甲板和艉楼甲板之间的舱壁上；工况L6最大变形处位于主甲板中间部分。在强度方面，工况L2应力较大处在驾驶室后舱壁与艉楼甲板和救生甲板分别相交的两个端点处；工况L4应力较大处位于艉楼甲板和主甲板相交的舱壁中间部分。工况L6中应力分布比较均匀。

由结果可知，船首、船尾的应力和变形小于船中，因为所采用的秋刀鱼渔船压载和机械设备设在艏部和艉部。L4工况显示中部浮力大于艏部和艉部，此时呈现中拱状态；L2工况为满载状态，但渔获物轻于中部排水体积，从而显示出中拱状态。鉴于空载与满载工况都呈中拱状态，建议将压载舱室设在船中。

3 结论

计算结果表明：1)剔除约束点附近的应力集中单元，模型的应力全部满足许用要求；2)工况结果显示驾驶室后舱壁与艉楼甲板、救生甲板分别相交的两个端点处，艉楼甲板和主甲板相交舱壁处的应力较大；3)丰收返港工况中，中垂状态并未出现，原因是渔船压载和一些大型器械全都设在艏艉部，应将压载设置在中部，以减小船体附加弯矩。本计算结果可为秋刀鱼渔船提供一定的设计参考，应力集中区域应做好结构过渡或进行局部加强。此外，将压载设置在船体中部，还可以控制船舶重心，避免空船静水弯矩幅值过大。

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