大型多功能遠洋漁船全船有限元強度分析

張青敏，謝立新

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

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大型多功能遠洋漁船全船有限元強度分析

張青敏，謝立新

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

大型多功能遠洋漁船由于其主尺度的特殊性和結構形式的多樣化，我國現行鋼質海洋漁船建造規范(1998)已不能完全適用于船體構件。為保證船體結構在船舶全壽命期內更加安全，全船有限元強度分析是很有必要的。以某大型多功能遠洋秋刀兼魷魚釣船為例，通過載荷預報軟件計算得到全船有限元分析時需要的波浪載荷，建立其全船結構有限元模型并加載，進行全船有限元分析。分析結果可為漁船優化設計提供參考，對大型多功能遠洋漁船全船結構強度直接計算具有指導作用。

遠洋漁船；波浪載荷；有限元分析；數值分析

0 引言

目前，我國在大型遠洋秋刀兼魷魚釣船研發、設計及制造等方面還處于起步階段。國家發布的《船舶工業“十二五”發展規劃》已明確提出“抓緊研制適合我國遠洋漁業生產的高性能遠洋漁船”，并以船型開發為依托，突破設計建造關鍵技術，開展核心配套設備研制，形成自主研發和建造能力，因此，有必要加快開展多功能遠洋秋刀兼魷魚釣船的研發設計的步伐。

同時現代遠洋漁船日趨大型化，無論從船型還是結構特點來看，都有向國際商船看齊的趨勢，但是我國現行漁船建造規范沒有及時更新完善，從結構設計規范方面來說，已不能完全適應現代遠洋漁船的結構設計。為保證船體結構在船舶全壽命期內更加安全，全船有限元強度分析是很有必要的，分析結果可為漁船優化設計提供參考[1]，對大型多功能遠洋漁船全船結構強度直接計算具有指導作用[2]。

在此背景下，參照國際商船規范及其他運輸船優秀研究設計成果，基于漁船規范完成了某大型多功能遠洋秋刀兼魷魚釣船結構的初步設計。在此基礎上，本文以該船為目標船，進行了全船有限元強度分析。

1 船舶相關參數

目標船為某大型多功能遠洋秋刀兼魷魚釣船，主要工作海域為阿根廷、日本海域。主要參數如下：

總長Loa

77.45 m

垂線船長LPP

67.60 m

計算船長L

67.60 m

型寬B

11.40 m

型深D

7.40 m

結構吃水d

4.60 m

方形系數Cb

0.677

設計航速V

14.00 kn

2 水動力載荷計算

水動力載荷計算是全船有限元分析的關鍵一步，目標船水動力載荷計算用法國BV船級社的HYDROSTAR軟件來完成。

2.1 船體外殼面元模型的建立

本船的外殼面元模型原點位于尾垂線水線面處，并保證水線面處有單元節點，且各單元法向指向舷外。xyz坐標中，x軸從船尾指向船首方向，y軸從船中指向左舷方向，z軸從水線面指向主甲板。建立模型時，模型網格過大則計算精度不夠，過小則需要耗費大量的計算時間，因此取為2檔肋骨或縱骨間距。為保證計算結果的精度，水線面處應作為水動力網格的邊界。滿載工況下，濕表面、水線面和干舷模型如圖1所示。

2.2 計算方式和參數

基于三維勢流理論進行水動力分析，水深取為無限水深；計算航速取零；波浪頻率按波長與船長比(λ/L) 范圍的0.2～3選取，即0.5～2.5 rad/s，步長取0.1 rad/s；計算浪向角0°～180°，間隔10°；波浪譜采用P-M波浪譜；波浪散布圖為全球波浪散布圖，其涵蓋了工作區域的最惡劣海況。

圖1 滿載工況下濕表面、水線面和干舷模型

2.3 計算工況

根據裝載手冊和散貨船有限元分析的經驗，計算如下2個工況：壓載捕魚(無魚貨，燃油70%)和滿載離漁場(魚貨100%，燃油30%)。

按照裝載手冊中該裝載工況下船的質量分布在軟件里輸入質量分布數據，保證浮力與重力的平衡。

2.4 波浪彎矩剪力計算

目前波浪彎矩和剪力計算有2大方法[3]： 國際船級社協會(IACS)統一的計算式(規范計算)，各船級社均已采用IACS統一的計算公式；波浪載荷預報(水動力直接計算)，根據波浪譜和波浪資料，計算波浪載荷長期預報值，進而得到波浪彎矩剪力的設計值，計算一般通過相應的軟件來實現。

根據中國船級社(CCS)、英國勞氏船級社(LR)、德國船級社(GL)等船級社規定，對于船長大于等于65 m的船舶應校核其總縱強度，且規范適用范圍為：L/B>5,B/D<2.5,Cb≥0.6。對于目標船，L/B=5.930,B/D=1.541,Cb=0.677，與規范臨界值比較接近。如果波浪彎矩和剪力用規范計算，誤差可能會較大，因此除規范計算外，對目標船的波浪彎矩和剪力還采用了水動力直接計算，以便比較。

通過水動力直接計算，可以得到沿船長不同位置的垂向波浪彎矩、剪力的長期統計值，但考慮到本文采用的分析方法是基于線性理論，得到的波浪彎矩和波浪剪力在中拱和中垂時是完全相同的。而實際上由于非線性效應，對于中拱狀態和中垂狀態下波浪彎矩和波浪剪力應取不同的設計值，波浪載荷的直接計算結果應進行非線性修正。

波浪彎矩修正方法[4]如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ML為由線性分析得到的垂向波浪彎矩；Mw(cal+)Mw(cal-)為中拱中垂波浪彎矩水動力計算值；Mw(rule+)Mw(rule-)為中拱中垂波浪彎矩規范計算值；R為Mw(rule+)與Mw(rule-)之間的比值。

波浪剪力修正方法如下：

(4)

(5)

(6)

式中：FL為線性計算的剪力值；Fw(cal+)Fw(cal-)為中拱中垂波浪剪力水動力計算值；Fw(rule+)Fw(rule-)為中拱中垂波浪剪力規范計算值；K為Fw(rule+)與Fw(rule-)的比值；F1、F2分別為剪力沿船長分布系數，由圖2確定。

圖2 剪力分布系數

圖中：A.P.為尾垂線；F.P.為首垂線；X為計算位置距尾垂線的縱向位置，m；L′=Lpp=67.60 m。

取波浪彎矩和剪力的水動力計算最大值與規范計算值比較，根據經驗，滿載工況下波浪彎矩和剪力計算結果最大。水動力計算值與規范計算值對比結果如圖3、圖4所示。

圖3 中拱中垂波浪彎矩對比

圖4 中拱中垂波浪剪力對比

2.5 波浪載荷計算

波浪載荷計算是做全船有限元分析的第一步，參照CCS對礦砂船整船有限元計算(現行暫無漁船的相關規范)的一般要求，在某一裝載工況下，需要計算以垂向波浪彎矩、垂向波浪剪力為目標參數下的設計波。水動力直接計算結果見表1。

表1 波浪載荷計算工況

根據上述設計波參數，可以通過HYDROSTAR軟件計算出每個設計波下船體受到的波浪水動壓力，并把波浪載荷文件導入MSC.PATRAN軟件進行后續分析。

3 全船有限元分析

3.1 全船有限元模型

全船有限元分析采用MSC.PATRAN軟件完成。全船有限元模型原點位于尾垂線，x軸從船尾指向船首方向，y軸從船中指向左舷方向，z軸從船底指向主甲板。有限元網格按縱骨或肋骨間距劃分，其模型如圖5所示。

圖5 全船有限元模型

為保證計算結果的準確性，模型重量分布必須精確反映實際重量分布。空船重量包含鋼結構、甲板敷料、舾裝件、輪機設備等。通過調整有限元模型中單元的密度值、施加集中質量點等方式使模型重量分布與實際重量分布基本一致。

3.2 計算工況及載荷

每個計算工況需要選取裝載手冊中的裝載工況和相應的波浪載荷計算工況，本文選取表1中波浪載荷計算所述的4個工況計算。

船體載荷包含空船自重及慣性力、舷外靜水壓力和波浪水動壓力、貨艙內貨物靜壓力和慣性壓力、液艙內液體引起的靜水壓力和慣性壓力。其中，空船及貨物液體慣性加速度、波浪水動壓力載荷由HYDROSTAR軟件計算得到，空船重力加速度和舷外靜水壓力在PATRAN軟件里直接施加，貨艙內貨物靜壓力和慣性壓力、液艙內液體引起的靜水壓力和慣性壓力的施加通過PATRAN軟件的插件實現。

3.3 載荷平衡及邊界條件

在完成加載工作后，船體模型應處于動平衡狀態，此時的外部水壓力應與空船自重及慣性力、貨物液體載荷相平衡。若不平衡力超出了誤差允許范圍，將造成計算結果不準確。

整船動態平衡后，計算模型已處于自由動態平衡狀態。為消除剛體位移，須對模型施加邊界約束。邊界條件使用慣性釋放方法，因此邊界條件選取的是一個靠近船中的參考點，該點位于船底中縱強框架處。

3.4 計算結果

參照CCS對礦砂船整船有限元計算的要求，有限元應力衡準如下：

許用相當應力：[σe]=0.95×235/k,其中k為材料系數。

各工況應力結果分別如圖6～圖13所示。

圖6 滿載工況(波浪彎矩為目標參數)全船相當應力云圖

圖7 滿載工況(波浪彎矩為目標參數)主船體骨架相當應力云圖

圖8 滿載工況(波浪剪力為目標參數)全船相當應力云圖

4 結論及建議

(1)水動力計算結果表明，波浪彎矩直接計算的最大值比規范值高出近10%，而波浪剪力直接計算的最大值比規范值高出近35%，其峰值區間要普遍遠高于規范值。從波浪彎矩剪力曲線走勢也可以看出，水動力直接計算比規范計算更接近真實情況。在總縱強度計算中，如果主尺度數據與規范臨界值接近或者超出了規范適用范圍，用規范計算波浪彎矩和剪力誤差可能會較大，采用水動力直接計算是有效安全的方法。

圖9 滿載工況(波浪剪力為目標參數)主船體骨架相當應力云圖

圖10 壓載工況(波浪彎矩為目標參數)全船相當應力云圖

圖11 壓載工況(波浪彎矩為目標參數) 主船體骨架相當應力云圖

圖12 壓載工況(波浪剪力為目標參數)全船相當應力云圖

圖13 壓載工況(波浪剪力為目標參數) 主船體骨架相當應力云圖

(2)通過對大型漁船的全船有限元強度分析，得到了目標船所有結構的應力和相對變形，能直觀地發現船體結構的高應力區域，可作為判斷船體總縱強度[5]和部分構件局部強度的依據[2]。

(3)根據全船有限元計算結果，同一裝載工況下，以垂向波浪剪力為目標參數的波浪工況比以垂向波浪彎矩為目標參數的波浪工況應力水平也要高，說明設計波的選取計算對全船有限元結果影響很大。

(4)從全船有限元計算結果也可以看出，船體大部分結構應力滿足要求，只有局部少量單元應力超標。 除了一些應力集中和形狀很差的單元應力高以外，高應力單元主要集中在貨艙舷側板架。對高應力單元區域進行適當加強，可以使計算結果滿足要求。而且以垂向波浪彎矩為目標參數的波浪載荷計算工況下高應力單元主要集中在船中貨艙區域，以垂向波浪剪力為目標參數的波浪工況下高應力單元主要集中在首部貨艙區域。值得注意的是，各工況船體結構最大應力單元均在舷側縱桁與橫艙壁相交的區域。

(5)相對于散貨船、油船等大型運輸船，漁船屬于小型船，對結構重量會非常敏感。為減少結構重量以提高漁獲物裝載能力，目標船首次使用了高強度鋼，對于應力較大的舷側強肋骨和舷側縱桁配置高強度鋼是有利的。

本文以某大型多功能遠洋秋刀兼魷魚釣船為例，進行了水動力分析和全船有限元強度分析，在漁船的結構安全方面多了一層保障，對大型多功能遠洋漁船全船結構強度直接計算也具有指導作用。常規的艙段有限元分析不能涵蓋首、尾、機艙部分，其模型邊界對計算結果有一定影響，全船有限元分析則解決了這些問題。隨著漁船的日趨大型化，全船有限元分析必不可少。

[1] 亞杰，李范春，劉超，等.漁船穩性及整船強度分析[J].大連海事大學學報，2011,37(4)：17-24.

[2] 袁俊，陸紅干.40 000 DWT礦砂船直接波浪載荷與全船有限元強度分析[J].船舶設計通訊，2010(S2)：30-37.

[3] 中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊結構分冊[M].北京：國防工業出版社，2000.

[4] 中國船級社.鋼質海船入級規范(2014修改通報)[M].北京：人民交通出版社，2014.

[5] 陳慶強，朱勝昌，郭列，等.用整船有限元模型分析方法計算艦船的總縱強度[J].上海造船，2004(1)：69-75.

工信部高技術船舶科研項目(工信部聯裝[2012]534號)

2015-07-09

張青敏(1984—)，男，工程師，從事船舶結構設計工作。

U661.43

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