拖網漁船導纜孔支撐結構強度分析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 船舶工程學院，遼寧大連 116024）

0 引言

船舶在日常航行與作業的過程中，經常會遇到各種復雜工況與惡劣的環境，船上的系泊設備及其支撐結構通常需要承受較大的載荷作用[1-2]。各國船級社都通過入級規范對船舶系泊設備及其支撐結構的設計做出了明確規定。導纜孔及其支撐結構由不規則曲面和復雜結構組成，其結構的多樣性和復雜性會增加結構設計和強度校核工作的難度[3-4]。本文以某雙甲板拖網漁船為研究對象，基于基本結構圖、系泊設備布置圖等實船資料，根據中國船級社的相關規范，對艉部導纜孔及其支撐結構進行局部強度分析。

1 有限元模型

本文的研究對象是某雙甲板拖網漁船艉部導纜孔及其支撐結構，由于所選用的導纜孔為標準件，只要在船舶設計過程中根據規范選取，就能夠滿足結構的強度要求。因此，只需分析艉部導纜孔支撐結構強度即可[1]。依照中國船級社（China Classification Society, CCS）《鋼質海船入級規范》[5]（簡稱《規范》）中相關要求確定有限元模型的建模范圍、邊界條件、單元設置及載荷施加等內容。

1.1 艉部系泊設備布置

本船在艉部主甲板設置有2 個對稱于船體中線布置的絞車，每臺絞車配有1 個帶纜樁、1 個羊角導纜器和4 個導纜孔。艉部主甲板系泊設備布置情況見圖1。

圖1 艉部主甲板系泊設備布置圖

1.2 建模范圍

根據《規范》[5]相關要求，模型范圍的確認需要依據以下原則：

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

2）平面總建模區域為系泊設備作用平面的3 倍。

3）高度方向從系泊設備作用平面擴展至該平面以下的連續平臺結構，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跨過一檔強結構，若邊界未達到船體的強結構處，模型范圍應適當延伸。

本文選取艉部主甲板左舷2 個導纜孔的支撐結構進行強度校核計算。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 艉部導纜孔有限元模型

1.3 載荷條件

系泊設計載荷為227 kN，為系泊索破斷強度的1.15 倍[6]。在漁船日常系泊作業中，系泊纜繩出繩方向多變，故在結構強度分析中一般選擇最危險工況作為計算載荷條件。導纜孔加載情況見圖3，導纜孔實際承受載荷設置為進繩方向與出繩方向設計負荷的合力，具體方向根據系泊設備布置情況進行確定。

圖3 導纜孔加載示意圖

1.4 邊界條件

由于本模型為局部結構模型，且截止于較強結構處，為降低邊界條件對計算結果的影響，在模型底部與右端設置剛性固定約束。

1.5 網格劃分

甲板、舷強、艙壁、T 型材腹板等強結構選用板單元進行模擬；L 型材、扁鋼、T 型材面板等弱結構采用梁單元進行模擬；導纜孔處使用多點約束（Multipoint Constraint, MPC）單元以便施加載荷。為降低單元類型對計算結果產生的不利影響，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 材料與許用應力

本船導纜孔及其支撐結構全部采用CCS-A 級鋼，其屈服極限σs為235 N/mm2，安全系數K取1，相當應力σe為235 N/mm2，正應力σ為235 N/mm2，切應力τ為141 N/mm2。CCS-A 級鋼的楊氏模量E為2.06×105MPa，泊松比μ為0.3，密度為7.85 g/cm3。

2 結果分析

根據系泊設備布置圖與《規范》的相關要求，將上述邊界條件和載荷情況施加到有限元模型中并進行仿真計算。仿真結果與許用應力的對比情況見表1。FR4 導纜孔整體等效應力云圖、FR4 導纜孔最大剪應力云圖、FR1 導纜孔整體等效應力云圖、FR1 導纜孔最大剪應力云圖分別見圖4～圖7。FR4與FR1這2處導纜孔周圍支撐結構均出現了較大應力單元且最大應力超過規范要求的許用應力，且應力集中于導纜孔周圍支撐結構的腹板上。這表明漁船在極端環境下進行系泊作業時，2 處導纜孔支撐結構可能出現嚴重的變形甚至被破壞，因此需要對導纜孔周圍支撐結構進行加強。

表1 仿真結果與許用應力的對比情況

圖4 FR4 導纜孔整體等效應力云圖

圖5 FR4 導纜孔最大剪應力云圖

圖6 FR1 導纜孔整體等效應力云圖

圖7 FR1 導纜孔最大剪應力云圖

3 結構加強方案

針對艉部2 個導纜孔支撐強度校核不滿足規范要求的情況，為保證漁船系泊作業的安全，需對導纜孔支撐結構進行加強。根據船尾帶纜樁等系泊設備距離導纜孔較近的特點，為方便船上人員進行系泊作業，結合艉部系泊設備布置圖與導纜孔支撐結構應力分布，選取在導纜孔內測增設5 mm 內舷墻的加強方式，加強后的有限元模型見圖8。加強后仿真結果與許用應力的對比情況見表2。加強后FR4導纜孔整體等效應力云圖、FR4 導纜孔最大剪應力云圖、FR1 導纜孔整體等效應力云圖、FR1 導纜孔最大剪應力云圖分別見圖9～圖12。

表2 增強后導纜孔支撐結構有限元計算結果

圖8 增強后有限元模型

圖9 增強后FR4 導纜孔整體等效應力云圖

圖10 增強后FR4 導纜孔最大剪應力云圖

圖11 增強后FR1 導纜孔整體等效應力云圖

圖12 增強后FR1 導纜孔最大剪應力云圖

4 結論

本文以某雙甲板拖網漁船為例，使用有限元方法對艉部導纜孔及其支撐結構進行仿真計算，并將計算結果與相關規范進行比較，進而確定支撐結構的高應力區域。此外，針對現有船體結構強度不滿足規范要求的問題，結合拖網漁船艉部系泊設備的布置特點，為艉部增設內舷墻結構。經研究，可得出如下結論：

1）兩導纜孔原本支撐結構所受合成應力超出《規范》許用應力值，且最大應力集中在與導纜孔直接相連的舷墻支撐結構上，因此在設計階段對導纜孔及其支撐結構的校核是非常有必要的。

2）應盡早對導纜孔等系泊設備及其支撐結構強度進行校核，以便對強度不滿足的結構進行局部加強，減少后期修改成本。

3）選取增設內舷墻的局部增強方式可大幅增強導纜孔周圍支撐結構強度，有效降低導纜孔支撐結構所受的合成應力。