桁拖渔船主吊杆及主桅支撑结构强度分析

王贵彪， 张海波， 李国强， 杨卫华

(1.浙江省海洋水产研究所， 浙江 舟山 316021； 2.浙江海洋大学 船舶与机电工程学院， 浙江 舟山 316022；3.舟山市定海区渔船检验站， 浙江 舟山 316000)

0 引 言

吊杆和主桅是渔船生产作业的重要设备，被广泛应用于采用桁拖、围网、抄网等不同渔法的渔船上。

目前，针对起重船及其臂架结构的强度分析已比较成熟[1-4]，而渔船不仅作业方式有别于起重船，而且作业海况条件也远比起重船恶劣[5]，因此渔船应用起重船的相应规范显然不合适，须结合渔船作业时的装载工况以及起吊渔获物的情况进行具体分析。

本文参照《船舶与海上设施起重设备规范(2007)》[6](以下简称“规范”)和《钢质国内海洋渔船建造规范(2019)》[7]，在对主吊杆起吊渔获物的工况进行简化的基础上，利用MSC.Patran/Nastran对38 m钢质桁拖渔船的主吊杆及主桅的结构强度进行有限元分析，以期为今后细化渔船作业工况以及设计与安装类似渔船主桅杆提供参考。

1 主吊杆及主桅概况

以某近海38 m桁拖渔船作为研究对象，该船主桅位于靠船首的位置，主吊杆主要用于拖网桁杆和渔获物的起重，主尺度如表1所示。

表1 38 m钢质桁拖渔船主尺度 m

该船的主吊杆本体有效长度约6.0 m，其旋转支点距主甲板约1.2 m，为回旋式吊杆装置。主吊杆与主桅稳索的支点位于主甲板以上5.8 m处，主桅通过两根钢丝绳承担吊杆起吊的拉力。主吊杆及主桅简要布置如图1所示。

图1 桁拖渔船主吊杆及主桅布置简图

2 有限元模型

2.1 有限元结构模拟

应用MSC.Patran软件分别建立主吊杆和主船体的模型，x轴沿船体纵向指向船首，y轴沿船宽方向指向左舷侧，z轴沿船体垂向。模型采用板单元和梁单元模拟，其中船体的模型范围为主桅前后的1/2个鱼舱+1个鱼舱+1/2个鱼舱，并将主桅与甲板连接处的网格细化。主吊杆模型如图2所示。主桅及船体模型如图3所示。

图2 主吊杆有限元模型

图3 主桅及船体模型

2.2 计算工况选取

为便于计算，将桁拖渔船把舷外网囊及渔获物起吊并移动至甲板理鱼区这一步骤拆分成渔获物在船舷外起吊、舷外渔获物起升至一定高度和将舷外渔获物移动至甲板理鱼区等3个工况进行分析。根据资料估算，在舷外起货时，船舶横倾角及纵倾角均小于规范指定的船舶状态，因此计算中的船型状态仍参照规范要求，即横倾5°、艏倾2°。起吊质量为渔网单个网囊及其内渔获物质量，而遇到渔获物较少的情况则由人力进行起货。在起货时，绞纲机通过两根钢丝绳缓慢提升吊杆，钢丝绳全部拉紧并承受吊杆自重、风载以及渔获物质量等载荷，但受渔船作业海况恶劣等因素的影响，可能出现只有单根钢丝绳受力的情况。为分析各工况下吊杆的受力变化，分别在每个工况下选取两根钢丝绳同时受力及单根不同的钢丝绳单独受力等3种情况作为分析工况，如表2所示。其中，工况1为渔获物在船舷外起吊，工况2为舷外渔获物起升至一定高度，工况3为舷外渔获物移动至甲板理鱼区，LCn1、LCn2、LCn3(n=1,2,3)分别为两根钢丝绳同时受力、吊杆端部钢丝绳单独受力、吊杆中部钢丝绳单独受力的工况。

表2 3种不同情况下吊杆受力计算工况

渔船风载参照《国内海洋渔船法定检验技术规则(2019)》[8]对近海渔船的要求来选取，风向取组合载荷后的最不利方向，主吊杆自重以惯性力的形式施加。

2.3 边界条件设置

主船体及主吊杆模型的边界条件设置如表3所示。

表3 主船体及主吊杆模型边界条件

3 计算结果及分析

对主吊杆进行强度分析后，分别从工况1～工况3中选取主吊杆应力最大的工况，并读取主桅钢丝绳处以及主吊杆与主桅支点处的约束反力，并加载至船体模型的相应位置，进而计算船体结构强度。

3.1 许用应力

3.2 强度校核

由表4可知，各工况主吊杆及主桅所有构件的最大应力均小于许用应力，结构强度满足规范要求。在渔船舷外起渔获物过程中，工况2中主桅与船体应力最小、主吊杆应力最大。对于主桅和船体结构而言，舷外起网是这一过程中最危险的工况，此时主吊杆的工作角度与船长方向成40°，仰角为15°；而对吊杆而言，舷外起网至一定高度时为最危险工况，此时其工作角度与船长方向成40°，仰角为70°。

当两根钢丝绳同时受力时，吊杆的应力比单独某根钢丝绳受力时小得多；当吊杆端部钢丝绳(靠近起吊物的钢丝绳)单独受力时，吊杆的应力比吊杆中部钢丝绳单独受力时大得多。因此，在实际作业时应尽可能避免端部钢丝绳单独受力的情况。

表4 各工况下主吊杆、船体和主桅应力汇总 MPa

由图4～图6可知：工况2，单根钢丝绳受力时的吊杆应力明显大于两根钢丝绳同时受力时的吊杆应力，且吊杆端部钢丝绳单独受力时的应力比中部钢丝绳单独受力时应力大50%左右。在两根钢丝绳受力(LC 21)时，应力主要集中于吊杆端部，而其余部分应力较小；在单根钢丝绳受力(LC 22和LC 23)时，应力最大处虽仍在钢丝绳约束处，但应力明显向吊杆尾部延伸，且面向甲板侧的吊杆应力明显小于其背面区域。

图4 LC 21主吊杆等效应力云图

由图7～图9可知：对于主桅，工况1和工况3的应力均大于工况2的应力，且各工况的应力最大区域均位于吊杆与主桅连接区域附近，并沿主桅上下两端逐渐减小。主桅与甲板间的肘板也承受了较大的应力，因此在设计时须采用尺寸较大的肘板，以保证主桅与甲板连接处的结构强度。

图5 LC 22主吊杆等效应力云图

图6 LC 23主吊杆等效应力云图

图7 工况1主桅等效应力云图

图8 工况2 主桅等效应力云图

图9 工况3 主桅等效应力云图

如图10～图12所示，在主船体方面：工况1和工况3的应力较大区域均集中在舱壁上端，而工况2的应力较大区域位于主甲板；各工况起渔获物一舷的应力明显大于另一舷，而工况3的应力云图基本呈对称分布。因此，在详细设计时，可在主桅附近设置强横梁或加大舱壁厚度和扶强材尺寸以保证船体的结构强度。

4 结论与展望

吊杆及主桅是桁拖渔船渔捞设备的重要组成部分，由于渔船吊杆工况比一般起重船复杂，目前渔船吊杆及主桅的结构强度分析研究较少。本文将渔船舷外起渔获物的工况进行简化与拆分，利用MCS.Patran软件建立主吊杆及主桅、船体的有限元模型，并采用提取约束反力的方法将主吊杆与主桅的载荷传递联系起来，对两者的结构强度进行分析，得出结论如下：

图10 工况1主船体等效应力云图

图11 工况2主船体等效应力云图

图12 工况3主船体等效应力云图

(1) 各工况主吊杆及主桅所有构件的最大应力均小于许用应力，结构强度满足规范要求。各工况应力最大区域均位于吊杆背面稳索区域、吊杆与主桅连接区域以及主桅与甲板连接区域附近。

(2) 在单根钢丝绳受力时主吊杆的应力明显大于两根钢丝绳受力时的应力，且靠近起吊物的钢丝绳单独受力时的吊杆应力大于另一根钢丝绳单独受力时的应力。因此，在实际作业时，应尽可能使两根钢丝绳同时受力，尤其应尽可能避免靠近起吊物的钢丝绳单独受力。

(3) 在舷外起渔获物并移动至甲板理鱼区这一过程中：主吊杆的应力先增大后减小，在将渔获物起吊至一定高度时达到最大；主桅杆和主船体的应力则先减小后增大，在舷外起渔获物时应力最大。

(4) 主桅下的舱壁以及中内龙骨均承担了一定的应力，这部分应力的传递也保证了主桅的强度，使甲板与主桅的连接处避免应力集中。在渔船主桅位置的设计上，应尽可能将其焊接在舱壁上，并直接延伸至船底的中内龙骨，以保证起吊渔获物或渔具的应力在主船体上传递。

由于桁拖渔船吊杆的作用较复杂，仅对其作业中舷外起渔获物的步骤进行简化、拆分与计算，桁拖渔船在整个捕捞作业中的整体结构强度需进行进一步分析。