燈光罩網(wǎng)漁船總縱強(qiáng)度評(píng)估分析

王美玉，李 曉

(威海海洋職業(yè)學(xué)院，山東 榮成 264300)

0 引言

我國(guó)漁船的研發(fā)基本是在母船的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，特別是燈光罩網(wǎng)漁船的發(fā)展，很大程度上是在其他船型基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。由山東半島所屬企業(yè)建造的遠(yuǎn)洋燈光罩網(wǎng)漁船是近幾年興盛的新船型，對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化存在不足，很多船型是在母船基礎(chǔ)上加長(zhǎng)、加寬，改變材料，而船舶的總縱強(qiáng)度未經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)計(jì)算，因此罩網(wǎng)船的結(jié)構(gòu)安全性能不夠可靠。本研究通過(guò)對(duì)一艘燈光罩網(wǎng)漁船進(jìn)行強(qiáng)度分析，評(píng)估其安全性，從而消除安全隱患，減少由于強(qiáng)度不足而造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡等次生災(zāi)害。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)使用有限元分析的方法，對(duì)船舶總縱強(qiáng)度進(jìn)行研究。朱勝昌等[1]用整船有限元模型分析方法，對(duì)艦船的總縱強(qiáng)度進(jìn)行分析；王修敏等[2]利用有限元軟件，對(duì)某浮吊船總縱強(qiáng)度進(jìn)行研究；王峰陳等[3]采用全船有限元簡(jiǎn)化的方法，計(jì)算船舶總強(qiáng)度；張曉丹[4]通過(guò)使用有限元計(jì)算的方法，對(duì)三體客船的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了研究。隨著船舶計(jì)算數(shù)學(xué)、船舶現(xiàn)代力學(xué)和船舶計(jì)算機(jī)技術(shù)在軟、硬件領(lǐng)域的不斷完善，船舶有限元分析法無(wú)論是在理論上還是實(shí)務(wù)上都己得到顯著改善。船舶有限元分析法在船舶工程結(jié)構(gòu)分析理論中己成為學(xué)界應(yīng)用最多、效果最好的計(jì)算方法之一。

以上學(xué)者的研究廣泛，具有一定的借鑒意義。但由于燈光罩網(wǎng)漁船[5]的作業(yè)特點(diǎn)，不能完全借鑒以上學(xué)者的研究結(jié)果。因此，本研究通過(guò)有限元建模的方法對(duì)燈光罩網(wǎng)漁船的總縱強(qiáng)度進(jìn)行分析，為后續(xù)同類(lèi)船舶的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供參考。

1 艙段結(jié)構(gòu)建模

1.1 實(shí)船資料

本研究在一艘1 164 t雙層底漁船上創(chuàng)設(shè)建模，實(shí)船如圖1所示。該模型是作為有限元模型進(jìn)行其總強(qiáng)度計(jì)算的模型。此船為單甲板、雙層底，該模型結(jié)構(gòu)大部分采用AH32型高強(qiáng)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(wǎng)漁船實(shí)船圖

表1 漁船主尺度

圖2為本研究燈光罩網(wǎng)漁船的總布置圖。此漁船冷藏艙地段在23#～78#肋位，長(zhǎng)為35.06 m，其結(jié)構(gòu)為單甲板、單舷側(cè)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(shè)置把船艙部分劃分成3個(gè)冷藏區(qū)。No.1冷藏艙(涵蓋了左艙區(qū)和右艙區(qū))長(zhǎng)8.21 m。No.2冷藏艙長(zhǎng)7.69 m。No.3冷藏艙長(zhǎng)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(cè)邊艙寬4.80 m。雙層底內(nèi)設(shè)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(cè)縱桁。單層舷側(cè)中設(shè)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(jù)所收集的實(shí)船構(gòu)造材料能夠得出，No.2貨油艙處于船中周?chē)詰?yīng)當(dāng)研究No.2艙里相關(guān)構(gòu)件的強(qiáng)度，這樣便可計(jì)算出此燈光罩網(wǎng)漁船的總強(qiáng)度和它局部相關(guān)構(gòu)件的強(qiáng)度。根據(jù)JTP相關(guān)規(guī)范中船艙段建模理論，對(duì)實(shí)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(guó)船級(jí)社的相關(guān)規(guī)則建立本艙段模型。建立兩個(gè)船舯貨艙區(qū)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(gè)艙段的有限元模型。

圖3 雙層底圖

圖4 整個(gè)艙段有限元模型圖

1.3 材料參數(shù)

船舶艙段模型通常使用船用低碳鋼來(lái)制造。該漁船在海上捕撈作業(yè)，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(qiáng)度σs不小于235 N/mm2。

1.4 坐標(biāo)系

船舶有限元模型里，坐標(biāo)系是右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)處在80#肋位船中縱剖面和基平面交叉的位置。x軸沿船長(zhǎng)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(wǎng)格的劃分

根據(jù)國(guó)際船級(jí)社規(guī)范規(guī)定：船體結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格形狀應(yīng)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(wǎng)格如圖5所示。

圖5 艙段有限元網(wǎng)格

3 載荷與邊界條件

艙段兩端的關(guān)聯(lián)點(diǎn)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(guān)聯(lián)點(diǎn)耦合約束

表3 關(guān)聯(lián)點(diǎn)邊界條件

在船舶工程軟件里，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)設(shè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)，同時(shí)在船舶端面處縱向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)和關(guān)聯(lián)點(diǎn)處設(shè)置耦合約束[7-8]。在ABAQUS中，對(duì)關(guān)聯(lián)點(diǎn)進(jìn)行耦合約束和艙段邊界條件的設(shè)置后得出示意圖如圖6。

圖6 關(guān)聯(lián)點(diǎn)耦合約束示意圖

圖7 變形應(yīng)力云圖

在艙段有限元模型兩端設(shè)置關(guān)聯(lián)點(diǎn)，并對(duì)關(guān)聯(lián)點(diǎn)施加載荷和邊界條件后，在ABAQUS中建立作業(yè)進(jìn)行線性靜力學(xué)分析，由此可得到艙段的變形應(yīng)力云圖，如圖7所示。從該變形應(yīng)力云圖中可以得出，上甲板所承受的最大應(yīng)力值為22.4 MPa，外底板所承受的最大應(yīng)力值為14.6 MPa。

4 結(jié)果分析

由ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析，從所得變形應(yīng)力云圖的分析結(jié)果可得出如下結(jié)論:

(1)船舶艙段中的較大應(yīng)力大部分分布于艙段中間的上部舷側(cè)和甲板上，在該工況下，船舶艙段的艙室和艙段不連續(xù)轉(zhuǎn)角的地方都產(chǎn)生了應(yīng)力集中，而通過(guò)對(duì)整個(gè)艙段應(yīng)力比較來(lái)看，最大的應(yīng)力發(fā)生于船舶上甲板與外底處。

(2)艙段的應(yīng)力在沿船長(zhǎng)方向大小變化不大，而在垂向范圍內(nèi)連續(xù)變化。應(yīng)力值在中性軸附近較小而逐漸遠(yuǎn)離中性軸則變大，且在對(duì)稱(chēng)于中性軸附近處應(yīng)力值幾乎相等。