計及作業載荷的休閑漁船結構強度計算與分析

王貴彪，李國強，崔雪亮，張海波

(1.浙江海洋大學海洋與漁業研究所，浙江省海洋水產研究所，浙江舟山 316021；2.浙江海洋大學船舶與海運學院，浙江舟山 316022)

休閑漁業是現代漁業建設的重要內容，是漁業發展的必然產物，也是漁民減船轉產、就業增收的重要途徑[1-6]。而休閑漁船作為體驗式休閑漁業的載體，系指從事非生產性水上垂釣、捕撈、采集以及觀光、體驗漁業生產等與漁業有關的休閑活動的船舶[7-8]。在漁業資源日益枯竭及漁民減船轉產的背景下[9-11]，對休閑漁船船型及相關方面的研究顯得尤為迫切，但是目前國內對于休閑漁船的研究并不多見。

本文以某32 m 捕撈體驗式休閑漁船作為研究對象，通過MSC.Patran 軟件建立其三維有限元模型，基于其作業航區加載相應的波浪載荷及其它相關載荷，分析和比較了外龍骨形式和作業載荷對船型結構強度的影響程度。

1 船型及有限元模型概況

1.1 休閑漁船主尺度信息

該船型為鋼質、單底、單甲板、單槳、單舵的橫骨架式結構，在船中范圍內擁有2 層甲板室，為捕撈體驗式休閑漁船，其作為主要漁撈設備的2 臺臥式起網機安裝于甲板室后端的主甲板上(表1)。

表1 船型主要參數表Tab.1 Table of main parameters of ship

1.2 有限元模型

利用MSC.Patran 軟件建立的休閑漁船的有限元模型如圖1 所示。模型通過板單元和梁單元進行模擬，船型的混凝土壓載、漁具、主機等設備、艙室內物品和人員則通過定義質量點[12]的方式進行模擬。模型邊界條件則依據CCS《國內航行海船建造規范》[13]的要求設置。

圖1 三維結構有限元模型Fig.1 3D finite element mode

2 計算工況及載荷

2.1 計算工況分析

由于休閑漁船作業特點完全不同于商船或者捕撈漁船[14]，其航區僅限于遮蔽[15]，單次活動時間不得超過8 h[16]，故其燃油艙、水艙容積不大。同時本船型又為體驗式捕撈作業船型，漁獲物不多[16]，各裝載工況的差距不大，故本文僅考慮船型滿載出港和空載到港的工況。

2.2 載荷計算

2.2.1 空船重量

船型鋼板重量通過定義鋼材密度，而混凝土壓載、機器設備、燈桅等物件則通過以質量點的形式加載至模型的相應位置。

2.2.2 舷外水壓力本文將舷外水壓力分為靜水、迎浪的中拱和中垂三種工況，并結合船型的航區及作業條件限制[15-16]選取等效設計波，通過Patran的場函數形式加載波浪載荷至模型濕表面的各單元上。

2.2.3 貨物載荷

由于休閑漁船漁獲物極少，故本船貨物載荷僅需考慮燃油和淡水載荷。此類載荷以均布力的形式加載至對應的艙壁及船底板上。

3 外龍骨對船型結構強度的影響研究

外龍骨是漁船船型的一大特色，在不減少魚艙艙容的前提下，外龍骨能顯著地降低漁船的重心，保證了漁船作業安全[17]。隨著休閑漁船船型往游船船型發展，外形美觀的各種上層建筑不斷提高著船型的重心高度，利用外龍骨壓載逐漸在休閑漁船的設計中得到了廣泛的應用。

3.1 外龍骨的形式選取

漁船設置的外龍骨一般有2 種常見的形式：一是采用實心扁鋼焊接在平板龍骨上，這種龍骨雖然效果好，但造價高，一般應用于遠洋漁船上；二是利用鋼板焊接成方形空心龍骨，并在內部填充混凝土，這種龍骨造價低、制作方便，已被廣泛地應用于各類漁船中。

本文選取實心龍骨、鋼板焊接龍骨、無龍骨3 種形式作為研究對象并分別建立相應的有限元模型進行分析，同時調整各模型中質量點的數量與分布，保證3 種模型的重量一致。

3.2 計算結果分析

由圖2～4 可以發現：3 個模型船型在中拱和中垂工況下的最大應力明顯大于靜水工況，且中拱工況的最大應力普遍大于中垂工況。同時除靜水工況外，縱向構件最大應力明顯大于橫向構件最大應力，這表明波浪載荷引起的總縱強度依然是處于遮蔽航區休閑漁船船型強度校核的重要內容。無外龍骨模型的最大應力基本大于有外龍骨的2 個模型，這種情況在縱向構件上表現得尤為明顯，最大的空載工況下有外龍骨模型最大應力較無龍骨模型的最大應力減小約9%；而在靜水工況，有無外龍骨對構件的最大應力影響較小。這表明了外龍骨對船型的總縱強度具有一定的改善作用，但對橫向強度的影響不大。

圖2 縱向構件最大應力對比Fig.2 Maximum stress comparison of longitudinal members

圖3 橫向構件最大應力對比Fig.3 Maximum stress comparison of transverse members

圖4 甲板室最大應力對比Fig.4 Comparison of maximum stresses in deckhouse

4 計及作業載荷的船型結構強度分析

4.1 作業載荷計算與加載

捕撈體驗式休閑漁船作業與捕撈漁船類似，本船型通過在船尾的起網機拖曳網具進行捕撈作業的示范與體驗，網具拖曳產生的阻力通過曳鋼作用至船型上。由于漁具阻力的成分構成復雜，目前還沒有形成精確的計算公式[18-19]，本文采用如下所示的經驗公式[20]進行估算，并將計算所得的漁具阻力通過船尾起網機基座上建立的MPC 點以一定角度加載至模型上。

式中：RN為漁具阻力；CP為推進系數，一般取0.25～0.30；P 為主機功率；v 為拖速。

4.2 計算結果分析

結合船型特性及裝載工況[21]，選取滿載工況作為休閑漁船作業狀態下強度分析的計算工況。

由圖5～7 休閑漁船作業與非作業工況最大等效應力對比可以發現：除滿載中拱工況外，在同等情況下作業工況的船型構件應力基本大于非作業工況的應力，這可能是由于網具拖曳具有的一個垂直向下分力抵消了部分引起船型中拱狀態的波浪載荷。同時，作業工況下的船型各構件最大應力分布依然與非作業工況的應力分布情況保持一致，即滿載中拱>滿載中垂>滿載靜水，這表明船型作業工況并非影響船型結構強度的主要因素。此外，滿載裝載下各構件作業與非作業工況的最大應力僅相差5%左右，表明了休閑漁船船型作業載荷對船型的結構強度并無明顯影響，這是由休閑漁船不從事高強度捕撈生產作業這一特性所決定的。

圖5 縱向構件最大應力對比Fig.5 Maximum stress comparison of longitudinal members

圖6 橫向構件最大應力對比Fig.6 Maximum stress comparison of transverse members

圖7 甲板室最大應力對比Fig.7 Comparison of maximum stresses in deckhouse

圖9～10 為滿載各工況作業條件下全船的等效應力分布云圖，由圖可以發現，在中垂和中拱工況下，船型尾部的應力大于船型首部，這是由于作業時船型存在一定的艉傾造成船尾載荷大于船首而導致的。而在靜水工況下，船型的應力主要集中在船尾起網機基座和油艙水艙附近的構件上。

圖8 滿載中拱作業下船型應力云圖Fig.8 Stress nephogram under full load middle arch operation

圖9 滿載中垂作業下船型應力云圖Fig.9 Stress nephogram under full load and mid vertical operation

圖10 滿載靜水作業下船型應力云圖Fig.10 Stress nephogram under full load static water operation

圖11～16 為3 種不同龍骨形式下，空載中拱和滿載中垂工況下主船體的變形云圖。由圖可以發現，主船體變形最大的區域位于船中稍微靠船尾的位置，且船首變形量小于船尾。實心龍骨在空載中拱工況下的最大變形量比鋼板焊接龍骨和無龍骨模型分別減小了15.3%和16.5%，而在滿載中垂工況下分別減小了10.3%和8.9%。

圖11 空載中拱工況下無龍骨模型變形云圖Fig.11 Deformation of hogging status under no loading condition with no keel model

圖13 空載中拱工況下實心龍骨模型變形云圖Fig.13 Deformation of hogging status under no loading condition with solid keel model

圖14 滿載中垂工況下無龍骨模型變形云圖Fig.14 Deformation of sagging status under full loading condition with no keel model

圖15 滿載中垂工況下鋼板焊接龍骨模型變形云圖Fig.15 Deformation of sagging status under full loading condition with plate welding model

圖16 滿載中垂工況下實心龍骨模型變形云圖Fig.16 Deformation of sagging status under full loading condition with solid keel model

5 結論

(1)休閑漁船外龍骨的設置雖然對船型在中拱、中垂狀態下主船體變形有一定的影響，能夠在一定程度上減小船體的變形量，但對船型的結構強度無明顯影響。因此，選取鋼板焊接并填充混凝土形式的外龍骨作為休閑漁船船型的壓載是最經濟的一種方式。

(2)休閑漁船的作業載荷對船型結構強度的影響并不大，這是由休閑漁船僅進行捕撈演示但不生產作業的特征所決定的。

(3)本文利用有限元軟件在考慮作業載荷條件下進行船型結構強度計算的方法可為類似船型尤其是漁船結構強度直接計算提供思路，對漁船疲勞分析研究具有一定的參考價值。