捕鱼中和丰收返港工况下远洋秋刀鱼船整船强度分析

舒 钰，谢永和，王贵彪

(1浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江 舟山，316022；2 浙江省海洋水产研究所，浙江 舟山，316021)

舷外起网是渔船的一种特殊作业工况，包括桁拖渔船、围网渔船、舷提网作业渔船等在内的多种船型都需要利用吊杆将渔获从舷外起吊至船上[1]。与常规起重船不同，渔船必须在海况相对恶劣的渔区进行起网且无法调整自身装载，给渔船的起网作业带来了很大的危险。为了保证船体结构和船上作业人员的安全，根据秋刀鱼船的实际作业工况，对船舶在起网时的波浪载荷和结构强度进行计算具有一定的现实意义，也可以为该型渔船的研究与优化提供一定的指导意义。中国对远洋渔船结构强度的直接计算较少，对长度<65 m的渔船甚至不要求计算总纵强度，因此，目前情况下采用全船有限元分析是对秋刀鱼船进行强度校核计算行之有效的方法，而这种方法也被各国船级社广泛采用[2-4]。

以53 m远洋秋刀鱼船为研究对象，通过定义船型横倾和加载弯矩的形式模拟船型的起网状态，利用SESAM软件对船型在典型工况下的起网状态和正常航态进行波浪载荷长期预报，并利用设计波法对船型在同工况下的起网与不起网状态的结构强度进行对比与分析。

1 船型概况

目标船型为钢质、单甲板、双层底、单机、单桨、横骨架式结构、艉机型的秋刀鱼船，作业海域为西北太平洋，作业方式为光诱舷提网作业[5-6]。其主要尺度为：总长(LOA)53 m；设计吃水(d)3.3 m；垂线间长(Lpp)44.30 m；方形系数(Cb)0.725 6；型宽(B)8.00 m；型深(D)4.00 m；设计排水量(△)878.60 t；设计航速(v)12 kn。根据《远洋渔船法定检验技术规则(2019)》[7]，结合《国内海洋渔船法定检验技术规则(2019)》[8]相关内容，选取捕鱼中和丰收返港两种工况作为计算渔船起网工况的装载情况(表1)。

表1 装载工况主要参数

2 波浪载荷计算

2.1 水动力模型及参数设置

计算浪向角为0°～180°，选取13个浪向角，其间隔为15°。频率在0.2～2.0 rad/s的范围内选取，步长取0.05，共37个。通过定义不同的横倾角模拟船型起网时船型的状态，分析两种装载情况下起网和不起网对船体波浪载荷的影响。应用船体外板的结构有限元模型网格，截取水线以下船体外表面为湿表面，以此作为水动力计算单元，去除模型中的梁单元后生成水动力湿表面模型[9-11](图1)。

图1 湿表面模型

2.2 计算结果

根据船型的作业海域，利用西北太平洋波浪散布图[12]对船型在垂直波浪弯矩和扭矩两个参数进行长期预报，分析本船型在捕鱼中和丰收返港两种工况下起网和不起网状态对于船体波浪外载荷的影响。图2和图3为在超越概率水平10-8下垂直波浪弯矩和扭矩值沿船长的分布情况。由图2可知，这是该船在中拱状态下的垂向波浪弯矩沿船长的分布曲线，且满载时仍处于中拱状态，说明渔获质量仍低于中部排水质量，可以考虑在此设置压载舱室；无论是否起网，丰收返港工况下的垂直波浪弯矩均比捕鱼中工况大，且最大值均出现在船中附近，这与船级社规范中沿船长的垂向波浪弯矩分布趋势相同[13]。起网状态的波浪弯矩较不起网状态的弯矩大，且捕鱼中工况的两种状态相对差值比丰收返港工况大。由图3可知，在105°浪向时，丰收返港工况的扭矩较捕鱼中工况大，扭矩在1/4L(L表示船长)和3/4L附近处出现了极大值，且在3/4L附近处为最大值，同时捕鱼中工况扭矩的两个波峰比丰收返港工况的波峰更靠近船中。这与最大扭矩出现在离船首或船尾约1/4L到1/3L处的结论一致，且由于浪向角为105°，为首斜浪，最大扭矩应出现在近船首处[14]，这与图3中最大扭矩出现在3/4L附近处的结论相同，因此可以认为图3的结论是可信的。

图2 迎浪时船体剖面垂向波浪弯矩分布

图3 105°浪向时船体剖面扭矩分布

图4和图5分别为垂直波浪弯矩和扭矩在不同浪向的分布情况。由图4可知，各工况下垂直波浪弯矩在浪向为180°时最大，且丰收返港工况在30°～180°浪向内的弯矩值均比捕鱼工况大，而在0°～30°浪向内的弯矩值比捕鱼工况小。此外，丰收返港工况下，不起网状态下垂直波浪弯矩值均比起网状态下大，而在捕鱼中工况下，在绝大部分浪向角下(除15°～55°浪向角)，不起网状态下的垂直波浪弯矩值却比起网状态下小；而且还可以看出，垂向波浪弯矩在迎浪和顺浪时较大，并随浪向趋近横浪时逐渐减少[15]，这是符合实际的。然而与之不同的是，浪向在尾斜浪和横浪范围内多了一个先增大后减少的过程，这可能与这种船型的特殊性及布置方式有关。

图4 垂直波浪弯矩在不同浪向的分布

图5所示，在扭矩方面，丰收返港工况下的扭矩较捕鱼中工况大，且扭矩在105°左右浪向时以单峰形式出现最大值，说明本船满载时在横浪航行时扭转问题更严重；而捕鱼工况则在浪向为60°和120°附近以双峰形式出现极大值，说明捕鱼中工况下本船在斜浪航行时扭转问题更严重[16]。同时，丰收返港起网状态的扭矩值较不起网状态的扭矩值大，两种状态扭矩的差值在靠近0°和180°浪向时出现较大值；而在捕鱼中工况中起网状态的扭矩值反而比不起网状态小，两者扭矩差值的最大值出现在90°浪向附近。

3 全船有限元强度计算

3.1 全船结构模型

作为一种分析船舶结构的重要方法，有限元分析的发展也越来越完善，相关软件如Sesam、Patran、Ansys等也越来越多。通过建立全船结构模型，进行全船有限元分析来了解船体的受力和变形情况[17]。根据船型的相关图纸采用笛卡尔直角坐标系建立秋刀鱼船整船三维结构有限元模型(图6)，其原点位于舵杆中心线与基线的交线上，x轴正向为船首方向，y轴正向为左舷，z轴正向则为沿型深向上[18]。船型结构中外板、甲板等板壳以及肋板、强构件的面板与腹板采用板单元模拟，而肋骨、扶强材等则采用梁单元模拟，并对船型内小开口、肘板等进行简化或忽略处理[19-20]。

图6 全船模型

3.2 计算工况及边界条件

为比较该船型在起网与不起网状态下整船结构强度的变化情况，以丰收返港为例，根据本船实际作业海域，利用设计波法对两种情况下的结构强度进行分析，选取对船型响应影响最大的波浪，设计波参数见表2。

表2 各装载状态设计波参数

各舱室的装载依据《船舶与海上设施法定检验规则》[21]的有关要求进行定义，船型舷外起网的载荷则直接以弯矩的形式加载至模型对应区域。边界条件则按照《钢质海船入级建造规范(2018)》[22]的有关要求确定。

3.3 计算结果

3.3.1 总纵强度

根据选取的工况和对应的设计波参数，利用SESTRA模块进行结构强度分析。图7是丰收返港不起网工况下的相关应力云图与变形云图(LC01)，图8是对应起网工况下的应力云图和变形云图(LC03)。

图7 丰收返港不起网工况

图8 丰收返港起网工况

丰收返港工况下，浪向为180°时，船中具有最大的垂直波浪弯矩。在该设计波作用下，从图7A和图8A可以看出，船体各部分应力分布均较为均匀，整体强度满足要求。从图7(B、C)和图8(B、C)可以看出，在变形方面，不起网时船体变形最大处位于船型中尾部，左右舷的变形情况基本一致；起网时船体外壳和主甲板变形都表现为右舷的变形量明显大于左舷，且最大变形量都大于不起网工况。

3.3.2 扭转强度

图9是LC02对应的设计波参数下的全船应力云图和相关变形云图，图10是LC04对应的设计波参数下的全船应力云图和相关变形云图。在浪向为105°时，船长3/4 L处具有最大的波浪扭矩。在该斜浪的作用下，整船应力均匀，未出现应力集中现象。而在波浪扭转载荷的作用下，整船变形最大的区域位于船首舷墙和驾驶室上，并分别向z轴负方向减小，在球艏区域变形为最小；而在主甲板变形上，右舷大于左舷而船首大于船尾，并在船尾船中处达到最小。

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图9 丰收返港不起网工况

图10 丰收返港起网工况

3.4 结果分析

3.4.1 总纵强度工况分析

在总纵强度方面，船体各部分应力分布均较为均匀。丰收返港起网工况中的船体外壳和甲板变形量基本大于不起网工况中变形量。船体外壳和主甲板变形量最大处位于船舶中尾部，这是与渔船的机械设备设置在中尾部有关。从左右舷的变形来看，起网时右舷的变形明显大于左舷，这是因为起网时渔船有严重的左倾，导致右舷的变形量急剧增加，而不起网工况下左右舷的变形量基本相同，且大于起网状态下左舷的变形而小于起网时右舷的变形量。从甲板变形来看，不起网状态下甲板变形大的区域集中在中尾部，起网状态下由于渔船左倾使得靠近右舷的甲板的变形量明显增大。频繁的变形容易导致疲劳破坏，缩短船舶正常的使用寿命，由此可见，船舶起网工况中横倾所引起的船舶变形是该型渔船设计中一个不容忽视的问题。

3.4.2 扭转强度工况分析

在扭转强度方面，全船各部分的应力仍然比较均匀。丰收返港起网工况下全船的变形量明显大于不起网工况，主甲板的变形有着从尾向首、从中部向两舷不断增加的趋势，且不起网工况下右舷的变形量较左舷的偏大。计算结果表明：整船变形最大的区域位于船首舷墙和驾驶室上，并分别向z轴负方向减小。这是因为船首舷墙和驾驶室离扭转中心的距离最远，而扭矩在各个位置产生的应力与扭转中心的距离成正比，故这些位置的危险性自然也最大[23]，在进行船舶设计时需要重点关注这些区域，必要时可做增加板厚等相应措施。在球艏区域变形为最小，这与球艏减阻的作用一致。在主甲板变形上，无论是否起网，渔船右舷的变形量都大于左舷，起网工况下主要是由于船舶左倾导致的，不起网工况下是由该船的装载方式引起的。另外，船首变形量大于船尾，并在船尾船中处达到最小，这与船舶在横浪中航行时，在船首附近的主甲板应力最大的结论一致[24]。

本研究利用SESAM软件对秋刀鱼船进行了结构强度分析，通过全船有限元分析(建立全船有限元模型，正确施加设计弯矩和载荷)得到了相关工况下的应力云图和变形云图，与传统采用梁理论的方法(把船体简化为工程梁，通过计算船体梁的剖面模数和利用该位置的设计弯矩计算船体总纵强度弯曲应力)[25]相比，优势在于能够模拟各种几何形状复杂的船舶结构，了解各个构件的应力与变形情况并找到应力集中区域，从数据和图像两方面对渔船强度进行校核，比较直观准确。缺点在于建模的工作量很大以及精确度浮动性比较大，这基于个人建模的水平和边界条件、载荷工况的模拟是否真实等等。另外，本研究只分析了丰收返港的相关工况，在捕鱼工况下是否有着相同规律还需要进一步研究。

4 结论

利用DNV SESAM软件，通过定义船型横倾角以及在模型中适当位置施加弯矩的形式模拟了渔船舷外起网的状态，分析了秋刀鱼船在捕鱼中和丰收返港两种工况下舷外是否起网对船体波浪外载荷的影响，验证了垂直波浪弯矩和波浪扭矩与船长(浪向)之间的相关规律的准确性。同时利用有限元软件对长度<65 m的秋刀渔船进行了结构强度分析，得到了对应工况下全船大致的应力分布范围与变形情况。本研究可为渔船设计和结构强度校核提供一定参考：在该型渔船设计时，应特别考虑渔船在横浪和斜浪中航行的扭转问题；对于变形量增大的右舷甲板(渔船横倾引起)、远离扭转中心的船艏舷墙和驾驶室等部位应做适当加强。

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