大型多功能远洋渔船全船有限元强度分析

张青敏，谢立新

(上海船舶研究设计院，上海 201203)



大型多功能远洋渔船全船有限元强度分析

张青敏，谢立新

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

大型多功能远洋渔船由于其主尺度的特殊性和结构形式的多样化，我国现行钢质海洋渔船建造规范(1998)已不能完全适用于船体构件。为保证船体结构在船舶全寿命期内更加安全，全船有限元强度分析是很有必要的。以某大型多功能远洋秋刀兼鱿鱼钓船为例，通过载荷预报软件计算得到全船有限元分析时需要的波浪载荷，建立其全船结构有限元模型并加载，进行全船有限元分析。分析结果可为渔船优化设计提供参考，对大型多功能远洋渔船全船结构强度直接计算具有指导作用。

远洋渔船；波浪载荷；有限元分析；数值分析

0 引言

目前，我国在大型远洋秋刀兼鱿鱼钓船研发、设计及制造等方面还处于起步阶段。国家发布的《船舶工业“十二五”发展规划》已明确提出“抓紧研制适合我国远洋渔业生产的高性能远洋渔船”，并以船型开发为依托，突破设计建造关键技术，开展核心配套设备研制，形成自主研发和建造能力，因此，有必要加快开展多功能远洋秋刀兼鱿鱼钓船的研发设计的步伐。

同时现代远洋渔船日趋大型化，无论从船型还是结构特点来看，都有向国际商船看齐的趋势，但是我国现行渔船建造规范没有及时更新完善，从结构设计规范方面来说，已不能完全适应现代远洋渔船的结构设计。为保证船体结构在船舶全寿命期内更加安全，全船有限元强度分析是很有必要的，分析结果可为渔船优化设计提供参考[1]，对大型多功能远洋渔船全船结构强度直接计算具有指导作用[2]。

在此背景下，参照国际商船规范及其他运输船优秀研究设计成果，基于渔船规范完成了某大型多功能远洋秋刀兼鱿鱼钓船结构的初步设计。在此基础上，本文以该船为目标船，进行了全船有限元强度分析。

1 船舶相关参数

目标船为某大型多功能远洋秋刀兼鱿鱼钓船，主要工作海域为阿根廷、日本海域。主要参数如下：

总长Loa

77.45 m

垂线船长LPP

67.60 m

计算船长L

67.60 m

型宽B

11.40 m

型深D

7.40 m

结构吃水d

4.60 m

方形系数Cb

0.677

设计航速V

14.00 kn

2 水动力载荷计算

水动力载荷计算是全船有限元分析的关键一步，目标船水动力载荷计算用法国BV船级社的HYDROSTAR软件来完成。

2.1 船体外壳面元模型的建立

本船的外壳面元模型原点位于尾垂线水线面处，并保证水线面处有单元节点，且各单元法向指向舷外。xyz坐标中，x轴从船尾指向船首方向，y轴从船中指向左舷方向，z轴从水线面指向主甲板。建立模型时，模型网格过大则计算精度不够，过小则需要耗费大量的计算时间，因此取为2档肋骨或纵骨间距。为保证计算结果的精度，水线面处应作为水动力网格的边界。满载工况下，湿表面、水线面和干舷模型如图1所示。

2.2 计算方式和参数

基于三维势流理论进行水动力分析，水深取为无限水深；计算航速取零；波浪频率按波长与船长比(λ/L) 范围的0.2～3选取，即0.5～2.5 rad/s，步长取0.1 rad/s；计算浪向角0°～180°，间隔10°；波浪谱采用P-M波浪谱；波浪散布图为全球波浪散布图，其涵盖了工作区域的最恶劣海况。

图1 满载工况下湿表面、水线面和干舷模型

2.3 计算工况

根据装载手册和散货船有限元分析的经验，计算如下2个工况：压载捕鱼(无鱼货，燃油70%)和满载离渔场(鱼货100%，燃油30%)。

按照装载手册中该装载工况下船的质量分布在软件里输入质量分布数据，保证浮力与重力的平衡。

2.4 波浪弯矩剪力计算

目前波浪弯矩和剪力计算有2大方法[3]： 国际船级社协会(IACS)统一的计算式(规范计算)，各船级社均已采用IACS统一的计算公式；波浪载荷预报(水动力直接计算)，根据波浪谱和波浪资料，计算波浪载荷长期预报值，进而得到波浪弯矩剪力的设计值，计算一般通过相应的软件来实现。

根据中国船级社(CCS)、英国劳氏船级社(LR)、德国船级社(GL)等船级社规定，对于船长大于等于65 m的船舶应校核其总纵强度，且规范适用范围为：L/B>5,B/D<2.5,Cb≥0.6。对于目标船，L/B=5.930,B/D=1.541,Cb=0.677，与规范临界值比较接近。如果波浪弯矩和剪力用规范计算，误差可能会较大，因此除规范计算外，对目标船的波浪弯矩和剪力还采用了水动力直接计算，以便比较。

通过水动力直接计算，可以得到沿船长不同位置的垂向波浪弯矩、剪力的长期统计值，但考虑到本文采用的分析方法是基于线性理论，得到的波浪弯矩和波浪剪力在中拱和中垂时是完全相同的。而实际上由于非线性效应，对于中拱状态和中垂状态下波浪弯矩和波浪剪力应取不同的设计值，波浪载荷的直接计算结果应进行非线性修正。

波浪弯矩修正方法[4]如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ML为由线性分析得到的垂向波浪弯矩；Mw(cal+)Mw(cal-)为中拱中垂波浪弯矩水动力计算值；Mw(rule+)Mw(rule-)为中拱中垂波浪弯矩规范计算值；R为Mw(rule+)与Mw(rule-)之间的比值。

波浪剪力修正方法如下：

(4)

(5)

(6)

式中：FL为线性计算的剪力值；Fw(cal+)Fw(cal-)为中拱中垂波浪剪力水动力计算值；Fw(rule+)Fw(rule-)为中拱中垂波浪剪力规范计算值；K为Fw(rule+)与Fw(rule-)的比值；F1、F2分别为剪力沿船长分布系数，由图2确定。

图2 剪力分布系数

图中：A.P.为尾垂线；F.P.为首垂线；X为计算位置距尾垂线的纵向位置，m；L′=Lpp=67.60 m。

取波浪弯矩和剪力的水动力计算最大值与规范计算值比较，根据经验，满载工况下波浪弯矩和剪力计算结果最大。水动力计算值与规范计算值对比结果如图3、图4所示。

图3 中拱中垂波浪弯矩对比

图4 中拱中垂波浪剪力对比

2.5 波浪载荷计算

波浪载荷计算是做全船有限元分析的第一步，参照CCS对矿砂船整船有限元计算(现行暂无渔船的相关规范)的一般要求，在某一装载工况下，需要计算以垂向波浪弯矩、垂向波浪剪力为目标参数下的设计波。水动力直接计算结果见表1。

表1 波浪载荷计算工况

根据上述设计波参数，可以通过HYDROSTAR软件计算出每个设计波下船体受到的波浪水动压力，并把波浪载荷文件导入MSC.PATRAN软件进行后续分析。

3 全船有限元分析

3.1 全船有限元模型

全船有限元分析采用MSC.PATRAN软件完成。全船有限元模型原点位于尾垂线，x轴从船尾指向船首方向，y轴从船中指向左舷方向，z轴从船底指向主甲板。有限元网格按纵骨或肋骨间距划分，其模型如图5所示。

图5 全船有限元模型

为保证计算结果的准确性，模型重量分布必须精确反映实际重量分布。空船重量包含钢结构、甲板敷料、舾装件、轮机设备等。通过调整有限元模型中单元的密度值、施加集中质量点等方式使模型重量分布与实际重量分布基本一致。

3.2 计算工况及载荷

每个计算工况需要选取装载手册中的装载工况和相应的波浪载荷计算工况，本文选取表1中波浪载荷计算所述的4个工况计算。

船体载荷包含空船自重及惯性力、舷外静水压力和波浪水动压力、货舱内货物静压力和惯性压力、液舱内液体引起的静水压力和惯性压力。其中，空船及货物液体惯性加速度、波浪水动压力载荷由HYDROSTAR软件计算得到，空船重力加速度和舷外静水压力在PATRAN软件里直接施加，货舱内货物静压力和惯性压力、液舱内液体引起的静水压力和惯性压力的施加通过PATRAN软件的插件实现。

3.3 载荷平衡及边界条件

在完成加载工作后，船体模型应处于动平衡状态，此时的外部水压力应与空船自重及惯性力、货物液体载荷相平衡。若不平衡力超出了误差允许范围，将造成计算结果不准确。

整船动态平衡后，计算模型已处于自由动态平衡状态。为消除刚体位移，须对模型施加边界约束。边界条件使用惯性释放方法，因此边界条件选取的是一个靠近船中的参考点，该点位于船底中纵强框架处。

3.4 计算结果

参照CCS对矿砂船整船有限元计算的要求，有限元应力衡准如下：

许用相当应力：[σe]=0.95×235/k,其中k为材料系数。

各工况应力结果分别如图6～图13所示。

图6 满载工况(波浪弯矩为目标参数)全船相当应力云图

图7 满载工况(波浪弯矩为目标参数)主船体骨架相当应力云图

图8 满载工况(波浪剪力为目标参数)全船相当应力云图

4 结论及建议

(1)水动力计算结果表明，波浪弯矩直接计算的最大值比规范值高出近10%，而波浪剪力直接计算的最大值比规范值高出近35%，其峰值区间要普遍远高于规范值。从波浪弯矩剪力曲线走势也可以看出，水动力直接计算比规范计算更接近真实情况。在总纵强度计算中，如果主尺度数据与规范临界值接近或者超出了规范适用范围，用规范计算波浪弯矩和剪力误差可能会较大，采用水动力直接计算是有效安全的方法。

图9 满载工况(波浪剪力为目标参数)主船体骨架相当应力云图

图10 压载工况(波浪弯矩为目标参数)全船相当应力云图

图11 压载工况(波浪弯矩为目标参数) 主船体骨架相当应力云图

图12 压载工况(波浪剪力为目标参数)全船相当应力云图

图13 压载工况(波浪剪力为目标参数) 主船体骨架相当应力云图

(2)通过对大型渔船的全船有限元强度分析，得到了目标船所有结构的应力和相对变形，能直观地发现船体结构的高应力区域，可作为判断船体总纵强度[5]和部分构件局部强度的依据[2]。

(3)根据全船有限元计算结果，同一装载工况下，以垂向波浪剪力为目标参数的波浪工况比以垂向波浪弯矩为目标参数的波浪工况应力水平也要高，说明设计波的选取计算对全船有限元结果影响很大。

(4)从全船有限元计算结果也可以看出，船体大部分结构应力满足要求，只有局部少量单元应力超标。 除了一些应力集中和形状很差的单元应力高以外，高应力单元主要集中在货舱舷侧板架。对高应力单元区域进行适当加强，可以使计算结果满足要求。而且以垂向波浪弯矩为目标参数的波浪载荷计算工况下高应力单元主要集中在船中货舱区域，以垂向波浪剪力为目标参数的波浪工况下高应力单元主要集中在首部货舱区域。值得注意的是，各工况船体结构最大应力单元均在舷侧纵桁与横舱壁相交的区域。

(5)相对于散货船、油船等大型运输船，渔船属于小型船，对结构重量会非常敏感。为减少结构重量以提高渔获物装载能力，目标船首次使用了高强度钢，对于应力较大的舷侧强肋骨和舷侧纵桁配置高强度钢是有利的。

本文以某大型多功能远洋秋刀兼鱿鱼钓船为例，进行了水动力分析和全船有限元强度分析，在渔船的结构安全方面多了一层保障，对大型多功能远洋渔船全船结构强度直接计算也具有指导作用。常规的舱段有限元分析不能涵盖首、尾、机舱部分，其模型边界对计算结果有一定影响，全船有限元分析则解决了这些问题。随着渔船的日趋大型化，全船有限元分析必不可少。

[1] 亚杰，李范春，刘超，等.渔船稳性及整船强度分析[J].大连海事大学学报，2011,37(4)：17-24.

[2] 袁俊，陆红干.40 000 DWT矿砂船直接波浪载荷与全船有限元强度分析[J].船舶设计通讯，2010(S2)：30-37.

[3] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册结构分册[M].北京：国防工业出版社，2000.

[4] 中国船级社.钢质海船入级规范(2014修改通报)[M].北京：人民交通出版社，2014.

[5] 陈庆强，朱胜昌，郭列，等.用整船有限元模型分析方法计算舰船的总纵强度[J].上海造船，2004(1)：69-75.

工信部高技术船舶科研项目(工信部联装[2012]534号)

2015-07-09

张青敏(1984—)，男，工程师，从事船舶结构设计工作。

U661.43

A