養殖工船養殖艙結構強度分析及優化設計

徐賀,喬國瑞

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200023)

近年來新型養殖工船發展成為一種適應性較強的深遠海養殖裝備。由于適漁性要求及作業功能要求，養殖工船設計中產生了一些特殊的結構形式。如為保證養殖艙內部為光壁結構，結構設計為雙殼、雙中縱壁，且前后養殖艙之間設置2道橫艙壁，所有艙壁扶強材都布置在養殖艙外側。為優化養殖艙內部流場，結合實際建造的便利性，在養殖艙4個角隅設置垂向三角艙結構，使得養殖艙平面為八角形形式。為實現養殖艙的日常巡視要求，在艙內自由液面以上四周圍壁上需設置走道平臺結構。為滿足魚類不同成長周期分級養殖功能，需設計趕魚通道結構以實現不同養殖艙間魚苗的轉移。由于養殖工船為新型船舶，目前針對養殖工船的研究多集中在發展現狀[1-4]及船體運動方面[5-6]，對船體特殊結構設計及強度分析方面的研究[7]較少。養殖工船與雙殼油船結構相似，但養殖艙數量較多，艙壁數量及艙室構型使得養殖工船相比同尺度的油船等增加較多結構重量。對于這類船舶，目前船級社尚無專門的規范。為此，考慮對目標船參照指導性文件及相似船型規范[8-11]進行基本結構設計、工況選擇及強度校核，應用有限元方法進行養殖艙結構強度直接計算分析，并對養殖艙結構進行適當的優化設計。

1 主尺度及總布置

該船主尺度見表1，總布置圖見圖1。

表1 養殖工船主尺度 m

圖1 養殖工船總布置

該船由艉至艏共布置9對養殖水艙，養殖水艙與舷外海水不連通。前后相鄰養殖艙間為循環水處理設備間。養殖艙區域舷側及雙層底為壓載艙，中縱兩道艙壁之間頂部為趕魚通道，下方為管弄通道。

2 規范研究與結構設計

CCS 《海上漁業養殖設施檢驗指南》(以下簡稱《指南》)[8]對養殖工船設計做了較為詳細的說明，關于結構設計，根據《指南》第10章第2節10.2.1.2條對構件尺寸選取的規定如下。

1)全船結構布置和尺寸應滿足CCS《鋼質海船入級規范》(以下簡稱《鋼規》)[10]第2篇第1章、第2章、第5章、第6章適用要求。

2)有限航區航行的船舶適用于《鋼規》第10篇第2章的相關規定。

關于結構強度直接計算，根據《指南》第10章第2節10.2.1.3，對于養殖艙與海水不連通的船式海上漁業養殖設施。

1)航行工況時，船長為150 m及以上的船舶參照《鋼規》第2篇第5章第1節適用要求進行結構有限元強度分析。

2)養殖工況時參照CCS《海上移動平臺入級規范》(以下簡稱《移規》)[11]第2篇第3章適用要求，根據實際載荷(重力及功能載荷和有關的環境載荷)進行結構有限元強度分析。

目標船在遠海航區航行，養殖艙區域結構參照《鋼規》第2篇第5章雙殼油船部分進行設計。中橫剖面結構圖及養殖艙區域典型強框架見圖2、3。

圖2 中橫剖面圖

圖3 典型強框架結構

3 工況及載荷

養殖工船設計主要分為遠海航區航行工況及指定海域作業工況。基于本船的主尺度，根據《鋼規》，可不進行波浪載荷直接計算。但由于養殖作業海況為指定作業環境條件，見表4，需對養殖作業工況波浪載荷及運動進行直接預報。

表4 養殖工況環境條件

參照《鋼規》第二篇第5章“雙殼油船結構強度直接計算”部分并根據養殖工船裝載手冊中的裝載型式，確定3艙段強度計算工況的裝載及船體梁載荷，見表5。

表5 工況及船體梁載荷

其中航行工況分為滿載及壓載工況，養殖工況分為滿載養殖及由于作業過程中需要對養殖艙進行洗艙、檢修等而設定的3種隔艙裝載工況。

養殖艙有限元模型見圖4、5。有限元模型縱向范圍為3個養殖艙，橫向范圍取船體全寬。板材和主要支撐結構采用四點殼單元模擬，縱骨及加強筋采用梁單元模擬。網格尺寸取縱骨間距，開孔以刪除相應位置單元方式處理。

圖4 三艙段模型

圖5 內部艙室結構

養殖艙強度計算中除需考慮船體梁載荷外，還需考慮結構自重、舷外水壓力載荷、液艙載荷、甲板載荷以及運動產生的慣性載荷等。在模型端部采用MPC方式施加調整彎矩，使各種載荷作用下艙段中部彎矩達到各工況對應的設計合成彎矩。

4 強度計算結果分析

計算分析6種工況，各主要區域結構屈服強度計算結果見表6。

表6 強度計算結果計算值/許用值 MPa

結果表明甲板、船底外板、內底板、舷側外板、內殼板、中縱艙壁、雙層底肋板、橫向強框架處最大計算應力都低于規范要求許用應力，屈服強度均滿足要求。

由表6可見，對于養殖艙縱向構件，航行工況與養殖工況應力水平相近，航行工況的縱向結構應力整體稍大于養殖工況。原因在于航行工況為遠海航區，船體梁載荷稍大于養殖工況(見表5)。對于養殖艙橫向結構，養殖工況計算應力明顯高于航行工況，原因在于養殖工況隔艙裝載情況下，空艙內外產生了較大的水壓力差，導致橫向強框架變形很大，見圖6。靠近橫框架底部轉角處的肋板承受了較大的應力。

圖6 隔艙裝載工況橫框架變形

綜上，對于養殖工船結構設計，雖然航行工況的船體梁載荷較大，但當養殖工況考慮隔艙裝載時，應重點關注對應工況下橫向強框架的設計。

目標船每個養殖艙內布置3道橫向強框架，根據艙段強度分析，提取所有工況的最大相當應力，發現位于養殖艙中部的橫向強框架應力明顯高于靠近前后艙壁橫向強框架對應位置處的應力，見圖7、8。原因在于構成養殖艙的圍壁在水壓力作用下，整體板架中心點處的橫向變形最大。橫框架結構是養殖艙圍壁板架的主要支撐結構，位于養殖艙中部的橫框架變形相對于靠近前后橫艙壁的橫框架變形大，因此應力水平更高。據此，結構設計中根據應力水平采用了強框架結構規格差異化設計方法。由于整船橫向框架數量較多，減少的結構重量比較可觀。

圖7 養殖艙中間強框合成應力分布

圖8 養殖艙靠近艙壁強框合成應力分布

與雙殼油船或FPSO等大深艙類型船舶舭部底邊艙斜板上下端折角處的橫向肋板應力集中現象一致，本船靠近舭部及船中處的養殖艙底部斜板上下折角處肋板同樣在深艙水壓力作用下產生了明顯的應力集中。與此相似，用于優化艙內流場而在養殖艙四周角隅設置的三角艙垂向艙壁在水壓力作用下，將載荷傳遞至橫、縱艙壁，其垂向艙壁與橫縱艙壁水平桁相交處產生了明顯的應力集中現象，見圖9。

圖9 三角艙與水平桁相交處的應力集中現象

大型養殖工船養殖艙室較多，因此同樣的應力集中點數量很多。結構設計中應注意進行加強設計。

在養殖工況隔艙裝載時，位于雙殼、雙中縱壁之間的，靠近底部的水平縱桁平臺結構，在承受單側水壓的情況下，發生水平彎曲變形。而水平縱桁一般為縱向加筋形式，極易發生板格屈曲，見圖10。

圖10 水平縱桁屈曲利用因子

圖10說明，在空載艙室兩側的水平縱桁在不增加防屈曲筋情況下屈曲利用因子已超出許用值。因此，結構設計時應注意此處的屈曲問題，適當增加橫向防屈曲筋，增加板格抗屈曲能力。其他區域的屈曲校核不再贅述。

5 子模型細化分析

相對于雙殼油船，養殖工船配備了循環水處理系統、趕魚通道系統以及養殖艙液面以上的環形通道結構。雙層底內布置了非常復雜的管系，往往在靠近底部肋板端部需開設較大的開孔。由于布置空間的限制及作業功能需求，趕魚通道及環形通道的設置對橫向強框架端部結構也產生了明顯的削弱。橫向強框架關鍵區域強度計算子模型見圖11。子模型縱向范圍為8倍骨材間距。模型中準確模擬了各管系穿過處的開孔以及各大型通道開孔。靠近底邊艙的各開孔區域、底邊艙上下折角處、中縱壁底部斜板上下折角處、主甲板強橫梁端部以及雙中縱壁上方的趕魚通道區域采用50 mm×50 mm的網格尺寸進行細化。子模型強度計算衡準采用《海上浮式裝置入級規范》[9]第二篇第8章中局部細化網格結構強度分析的要求，見表7。

圖11 子模型

表7 細化網格強度計算衡準

基于此前的強度分析結果，將各計算工況艙段模型與子模型界面處的位移施加至子模型，進一步分析各關鍵區域結構強度。各關鍵區域細網格強度計算結果見表8。

表8 細網格強度計算結果 MPa

結果表明，與雙殼油船/FPSO結構相似，應注意底邊艙上下折角處及靠近折角的開孔邊緣的局部結構強度；為了保證養殖艙內部無凸出結構，雙中縱壁底部采用了與舭部底邊艙相似的斜板結構，應力分布特征與舭部相近；環形巡視通道的設置，需在主甲板下強橫梁端部開設滿足正常通行的門孔。沿橫梁面板邊緣產生了明顯的應力傳遞路徑，最大應力發生在橫梁端部放大的趾端處；對于雙中縱壁頂部趕魚通道結構及靠近船中的橫梁端部通道開孔結構，計算結果表明，雖然在單側艙室裝載情況下垂向肋板發生側向變形，但由于水平縱向通道平臺的設置限制了側向變形。該區域雖有多個大型開孔，但應力水平并不是很高。

6 結論

1)根據CCS《海上漁業養殖設施檢驗指南》的說明，結合《鋼規》及《移規》規范，可形成一套完整的用于養殖工船結構設計、強度計算的方法流程。

2)對于新型養殖工船，應針對航行工況及養殖工況分別對結構強度進行計算分析。養殖工況的隔艙裝載型式可參照CCS《鋼規》對雙殼油船艙段強度分析的要求選取。

3)應重點關注養殖工況中隔艙裝載時的結構強度，尤其是橫向框架的結構設計及強度。在橫框架底邊艙上下折角處、雙中縱底部斜板的上下折角處、強橫梁端部趾端以及各靠近肋板端部的開孔周圍會出現明顯的應力集中。靠近養殖艙前后艙壁的強橫梁應力水平較位于艙中部的強框架應力水平低，采用框架差異化設計方法，可一定程度減輕結構重量。