燈光罩網漁船總縱強度評估分析

王美玉，李 曉

(威海海洋職業學院，山東 榮成 264300)

0 引言

我國漁船的研發基本是在母船的基礎上進行改進，特別是燈光罩網漁船的發展，很大程度上是在其他船型基礎上改進而來。由山東半島所屬企業建造的遠洋燈光罩網漁船是近幾年興盛的新船型，對船舶的結構優化存在不足，很多船型是在母船基礎上加長、加寬，改變材料，而船舶的總縱強度未經過合理的設計計算，因此罩網船的結構安全性能不夠可靠。本研究通過對一艘燈光罩網漁船進行強度分析，評估其安全性，從而消除安全隱患，減少由于強度不足而造成的經濟損失和人員傷亡等次生災害。

國內外許多學者通過使用有限元分析的方法，對船舶總縱強度進行研究。朱勝昌等[1]用整船有限元模型分析方法，對艦船的總縱強度進行分析；王修敏等[2]利用有限元軟件，對某浮吊船總縱強度進行研究；王峰陳等[3]采用全船有限元簡化的方法，計算船舶總強度；張曉丹[4]通過使用有限元計算的方法，對三體客船的船體結構強度進行了研究。隨著船舶計算數學、船舶現代力學和船舶計算機技術在軟、硬件領域的不斷完善，船舶有限元分析法無論是在理論上還是實務上都己得到顯著改善。船舶有限元分析法在船舶工程結構分析理論中己成為學界應用最多、效果最好的計算方法之一。

以上學者的研究廣泛，具有一定的借鑒意義。但由于燈光罩網漁船[5]的作業特點，不能完全借鑒以上學者的研究結果。因此，本研究通過有限元建模的方法對燈光罩網漁船的總縱強度進行分析，為后續同類船舶的設計及改進提供參考。

1 艙段結構建模

1.1 實船資料

本研究在一艘1 164 t雙層底漁船上創設建模，實船如圖1所示。該模型是作為有限元模型進行其總強度計算的模型。此船為單甲板、雙層底，該模型結構大部分采用AH32型高強度鋼(屈服極限為315 kN/mm2)。該漁船的主尺度資料如表1所示。

圖1 燈光罩網漁船實船圖

表1 漁船主尺度

圖2為本研究燈光罩網漁船的總布置圖。此漁船冷藏艙地段在23#～78#肋位，長為35.06 m，其結構為單甲板、單舷側和雙層底，布局都是縱骨架式。冷艙地段中有5道油密橫艙壁。艙壁采用槽形艙壁的形式，這些設置把船艙部分劃分成3個冷藏區。No.1冷藏艙(涵蓋了左艙區和右艙區)長8.21 m。No.2冷藏艙長7.69 m。No.3冷藏艙長8.02 m。縱骨間隔0.80 m，肋骨間隔0.50 m，雙層底高0.8 m，舷側邊艙寬4.80 m。雙層底內設置7根垂向縱桁。船舶中縱桁與縱剖面間距各是1.57 m、6.28 m和11.775 m的側縱桁。單層舷側中設有1根水平縱桁，距基線2.65 m(底邊艙的底部)。

圖2 總布置圖

依據所收集的實船構造材料能夠得出，No.2貨油艙處于船中周圍，所以應當研究No.2艙里相關構件的強度，這樣便可計算出此燈光罩網漁船的總強度和它局部相關構件的強度。根據JTP相關規范中船艙段建模理論，對實船No.1、No.2、No.3漁艙段里(40#～65#肋位)的主要單元建立模型。

1.2 模型的建立

參照中國船級社的相關規則建立本艙段模型。建立兩個船舯貨艙區FR27—FR33間的艙段有限元模型。模型的寬度選取整船型寬，高度選取整船型深。圖3和圖4所示分別為艙段中雙層底模型和整個艙段的有限元模型。

圖3 雙層底圖

圖4 整個艙段有限元模型圖

1.3 材料參數

船舶艙段模型通常使用船用低碳鋼來制造。該漁船在海上捕撈作業，該艙段模型所用材料性能為：①楊氏模量E=2.1E+05 MPa；②剪切模量G=7.92E+04 MPa；③泊松比v=0.3；④鋼材密度ρ鋼=7.85E-009 t/mm3；⑤海水密度ρ水=1.025E-009 t/mm3；⑥重加口速度 ɡ=9 810 mm/s2；⑦屈服強度σs不小于235 N/mm2。

1.4 坐標系

船舶有限元模型里，坐標系是右手直角坐標系，原點處在80#肋位船中縱剖面和基平面交叉的位置。x軸沿船長方向，向艏為正。y軸沿船寬方向，向左舷為正。z軸沿船高方向，向上為正。

2 單元的選擇和網格的劃分

根據國際船級社規范規定：船體結構的有限元網格形狀應最大限度的與正方形相接近[6]，得出該艙段的有限元模型劃分網格如圖5所示。

圖5 艙段有限元網格

3 載荷與邊界條件

艙段兩端的關聯點耦合約束和邊界條件情況分別如表2和表3所示。

表2 兩端關聯點耦合約束

表3 關聯點邊界條件

在船舶工程軟件里，依據相關標準創設關聯點，同時在船舶端面處縱向構件節點和關聯點處設置耦合約束[7-8]。在ABAQUS中，對關聯點進行耦合約束和艙段邊界條件的設置后得出示意圖如圖6。

圖6 關聯點耦合約束示意圖

圖7 變形應力云圖

在艙段有限元模型兩端設置關聯點，并對關聯點施加載荷和邊界條件后，在ABAQUS中建立作業進行線性靜力學分析，由此可得到艙段的變形應力云圖，如圖7所示。從該變形應力云圖中可以得出，上甲板所承受的最大應力值為22.4 MPa，外底板所承受的最大應力值為14.6 MPa。

4 結果分析

由ABAQUS軟件進行有限元分析，從所得變形應力云圖的分析結果可得出如下結論:

(1)船舶艙段中的較大應力大部分分布于艙段中間的上部舷側和甲板上，在該工況下，船舶艙段的艙室和艙段不連續轉角的地方都產生了應力集中，而通過對整個艙段應力比較來看，最大的應力發生于船舶上甲板與外底處。

(2)艙段的應力在沿船長方向大小變化不大，而在垂向范圍內連續變化。應力值在中性軸附近較小而逐漸遠離中性軸則變大，且在對稱于中性軸附近處應力值幾乎相等。