拖網(wǎng)漁船導(dǎo)纜孔支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析1

馮海峰，孫旭明，金頌雨，管 官

（1. 黃海造船有限公司，山東威海 264309；2. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

0 引言

船舶在日常航行與作業(yè)的過程中，經(jīng)常會(huì)遇到各種復(fù)雜工況與惡劣的環(huán)境，船上的系泊設(shè)備及其支撐結(jié)構(gòu)通常需要承受較大的載荷作用[1-2]。各國船級(jí)社都通過入級(jí)規(guī)范對船舶系泊設(shè)備及其支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做出了明確規(guī)定。導(dǎo)纜孔及其支撐結(jié)構(gòu)由不規(guī)則曲面和復(fù)雜結(jié)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性會(huì)增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核工作的難度[3-4]。本文以某雙甲板拖網(wǎng)漁船為研究對象，基于基本結(jié)構(gòu)圖、系泊設(shè)備布置圖等實(shí)船資料，根據(jù)中國船級(jí)社的相關(guān)規(guī)范，對艉部導(dǎo)纜孔及其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部強(qiáng)度分析。

1 有限元模型

本文的研究對象是某雙甲板拖網(wǎng)漁船艉部導(dǎo)纜孔及其支撐結(jié)構(gòu)，由于所選用的導(dǎo)纜孔為標(biāo)準(zhǔn)件，只要在船舶設(shè)計(jì)過程中根據(jù)規(guī)范選取，就能夠滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。因此，只需分析艉部導(dǎo)纜孔支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度即可[1]。依照中國船級(jí)社（China Classification Society, CCS）《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[5]（簡稱《規(guī)范》）中相關(guān)要求確定有限元模型的建模范圍、邊界條件、單元設(shè)置及載荷施加等內(nèi)容。

1.1 艉部系泊設(shè)備布置

本船在艉部主甲板設(shè)置有2 個(gè)對稱于船體中線布置的絞車，每臺(tái)絞車配有1 個(gè)帶纜樁、1 個(gè)羊角導(dǎo)纜器和4 個(gè)導(dǎo)纜孔。艉部主甲板系泊設(shè)備布置情況見圖1。

圖1 艉部主甲板系泊設(shè)備布置圖

1.2 建模范圍

根據(jù)《規(guī)范》[5]相關(guān)要求，模型范圍的確認(rèn)需要依據(jù)以下原則：

1）以系泊設(shè)備布置區(qū)域的有效作用平面為中心，在船長和船寬方向分別擴(kuò)展至少一倍的距離。

2）平面總建模區(qū)域?yàn)橄挡丛O(shè)備作用平面的3 倍。

3）高度方向從系泊設(shè)備作用平面擴(kuò)展至該平面以下的連續(xù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，若范圍過大則最少為船舶型深的1/4。

4）所建模型的前后邊界應(yīng)跨過一檔強(qiáng)結(jié)構(gòu)，若邊界未達(dá)到船體的強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，模型范圍應(yīng)適當(dāng)延伸。

本文選取艉部主甲板左舷2 個(gè)導(dǎo)纜孔的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。模型在長度方向的范圍為FR2～FR8，在寬度方向的范圍為船中心線至左舷。具體模型見圖2。

圖2 艉部導(dǎo)纜孔有限元模型

1.3 載荷條件

系泊設(shè)計(jì)載荷為227 kN，為系泊索破斷強(qiáng)度的1.15 倍[6]。在漁船日常系泊作業(yè)中，系泊纜繩出繩方向多變，故在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中一般選擇最危險(xiǎn)工況作為計(jì)算載荷條件。導(dǎo)纜孔加載情況見圖3，導(dǎo)纜孔實(shí)際承受載荷設(shè)置為進(jìn)繩方向與出繩方向設(shè)計(jì)負(fù)荷的合力，具體方向根據(jù)系泊設(shè)備布置情況進(jìn)行確定。

圖3 導(dǎo)纜孔加載示意圖

1.4 邊界條件

由于本模型為局部結(jié)構(gòu)模型，且截止于較強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，為降低邊界條件對計(jì)算結(jié)果的影響，在模型底部與右端設(shè)置剛性固定約束。

1.5 網(wǎng)格劃分

甲板、舷強(qiáng)、艙壁、T 型材腹板等強(qiáng)結(jié)構(gòu)選用板單元進(jìn)行模擬；L 型材、扁鋼、T 型材面板等弱結(jié)構(gòu)采用梁單元進(jìn)行模擬；導(dǎo)纜孔處使用多點(diǎn)約束（Multipoint Constraint, MPC）單元以便施加載荷。為降低單元類型對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，盡量避免使用三角形單元，并保證單元長寬比低于3∶1。

1.6 材料與許用應(yīng)力

本船導(dǎo)纜孔及其支撐結(jié)構(gòu)全部采用CCS-A 級(jí)鋼，其屈服極限σs為235 N/mm2，安全系數(shù)K取1，相當(dāng)應(yīng)力σe為235 N/mm2，正應(yīng)力σ為235 N/mm2，切應(yīng)力τ為141 N/mm2。CCS-A 級(jí)鋼的楊氏模量E為2.06×105MPa，泊松比μ為0.3，密度為7.85 g/cm3。

2 結(jié)果分析

根據(jù)系泊設(shè)備布置圖與《規(guī)范》的相關(guān)要求，將上述邊界條件和載荷情況施加到有限元模型中并進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果與許用應(yīng)力的對比情況見表1。FR4 導(dǎo)纜孔整體等效應(yīng)力云圖、FR4 導(dǎo)纜孔最大剪應(yīng)力云圖、FR1 導(dǎo)纜孔整體等效應(yīng)力云圖、FR1 導(dǎo)纜孔最大剪應(yīng)力云圖分別見圖4～圖7。FR4與FR1這2處導(dǎo)纜孔周圍支撐結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了較大應(yīng)力單元且最大應(yīng)力超過規(guī)范要求的許用應(yīng)力，且應(yīng)力集中于導(dǎo)纜孔周圍支撐結(jié)構(gòu)的腹板上。這表明漁船在極端環(huán)境下進(jìn)行系泊作業(yè)時(shí)，2 處導(dǎo)纜孔支撐結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)嚴(yán)重的變形甚至被破壞，因此需要對導(dǎo)纜孔周圍支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

表1 仿真結(jié)果與許用應(yīng)力的對比情況

圖4 FR4 導(dǎo)纜孔整體等效應(yīng)力云圖

圖5 FR4 導(dǎo)纜孔最大剪應(yīng)力云圖

圖6 FR1 導(dǎo)纜孔整體等效應(yīng)力云圖

圖7 FR1 導(dǎo)纜孔最大剪應(yīng)力云圖

3 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

針對艉部2 個(gè)導(dǎo)纜孔支撐強(qiáng)度校核不滿足規(guī)范要求的情況，為保證漁船系泊作業(yè)的安全，需對導(dǎo)纜孔支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。根據(jù)船尾帶纜樁等系泊設(shè)備距離導(dǎo)纜孔較近的特點(diǎn)，為方便船上人員進(jìn)行系泊作業(yè)，結(jié)合艉部系泊設(shè)備布置圖與導(dǎo)纜孔支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，選取在導(dǎo)纜孔內(nèi)測增設(shè)5 mm 內(nèi)舷墻的加強(qiáng)方式，加強(qiáng)后的有限元模型見圖8。加強(qiáng)后仿真結(jié)果與許用應(yīng)力的對比情況見表2。加強(qiáng)后FR4導(dǎo)纜孔整體等效應(yīng)力云圖、FR4 導(dǎo)纜孔最大剪應(yīng)力云圖、FR1 導(dǎo)纜孔整體等效應(yīng)力云圖、FR1 導(dǎo)纜孔最大剪應(yīng)力云圖分別見圖9～圖12。

表2 增強(qiáng)后導(dǎo)纜孔支撐結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果

圖8 增強(qiáng)后有限元模型

圖9 增強(qiáng)后FR4 導(dǎo)纜孔整體等效應(yīng)力云圖

圖10 增強(qiáng)后FR4 導(dǎo)纜孔最大剪應(yīng)力云圖

圖11 增強(qiáng)后FR1 導(dǎo)纜孔整體等效應(yīng)力云圖

圖12 增強(qiáng)后FR1 導(dǎo)纜孔最大剪應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文以某雙甲板拖網(wǎng)漁船為例，使用有限元方法對艉部導(dǎo)纜孔及其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與相關(guān)規(guī)范進(jìn)行比較，進(jìn)而確定支撐結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)域。此外，針對現(xiàn)有船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求的問題，結(jié)合拖網(wǎng)漁船艉部系泊設(shè)備的布置特點(diǎn)，為艉部增設(shè)內(nèi)舷墻結(jié)構(gòu)。經(jīng)研究，可得出如下結(jié)論：

1）兩導(dǎo)纜孔原本支撐結(jié)構(gòu)所受合成應(yīng)力超出《規(guī)范》許用應(yīng)力值，且最大應(yīng)力集中在與導(dǎo)纜孔直接相連的舷墻支撐結(jié)構(gòu)上，因此在設(shè)計(jì)階段對導(dǎo)纜孔及其支撐結(jié)構(gòu)的校核是非常有必要的。

2）應(yīng)盡早對導(dǎo)纜孔等系泊設(shè)備及其支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，以便對強(qiáng)度不滿足的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)，減少后期修改成本。

3）選取增設(shè)內(nèi)舷墻的局部增強(qiáng)方式可大幅增強(qiáng)導(dǎo)纜孔周圍支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有效降低導(dǎo)纜孔支撐結(jié)構(gòu)所受的合成應(yīng)力。