计及作业载荷的休闲渔船结构强度计算与分析

王贵彪，李国强，崔雪亮，张海波

(1.浙江海洋大学海洋与渔业研究所，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海运学院，浙江舟山 316022)

休闲渔业是现代渔业建设的重要内容，是渔业发展的必然产物，也是渔民减船转产、就业增收的重要途径[1-6]。而休闲渔船作为体验式休闲渔业的载体，系指从事非生产性水上垂钓、捕捞、采集以及观光、体验渔业生产等与渔业有关的休闲活动的船舶[7-8]。在渔业资源日益枯竭及渔民减船转产的背景下[9-11]，对休闲渔船船型及相关方面的研究显得尤为迫切，但是目前国内对于休闲渔船的研究并不多见。

本文以某32 m 捕捞体验式休闲渔船作为研究对象，通过MSC.Patran 软件建立其三维有限元模型，基于其作业航区加载相应的波浪载荷及其它相关载荷，分析和比较了外龙骨形式和作业载荷对船型结构强度的影响程度。

1 船型及有限元模型概况

1.1 休闲渔船主尺度信息

该船型为钢质、单底、单甲板、单桨、单舵的横骨架式结构，在船中范围内拥有2 层甲板室，为捕捞体验式休闲渔船，其作为主要渔捞设备的2 台卧式起网机安装于甲板室后端的主甲板上(表1)。

表1 船型主要参数表Tab.1 Table of main parameters of ship

1.2 有限元模型

利用MSC.Patran 软件建立的休闲渔船的有限元模型如图1 所示。模型通过板单元和梁单元进行模拟，船型的混凝土压载、渔具、主机等设备、舱室内物品和人员则通过定义质量点[12]的方式进行模拟。模型边界条件则依据CCS《国内航行海船建造规范》[13]的要求设置。

图1 三维结构有限元模型Fig.1 3D finite element mode

2 计算工况及载荷

2.1 计算工况分析

由于休闲渔船作业特点完全不同于商船或者捕捞渔船[14]，其航区仅限于遮蔽[15]，单次活动时间不得超过8 h[16]，故其燃油舱、水舱容积不大。同时本船型又为体验式捕捞作业船型，渔获物不多[16]，各装载工况的差距不大，故本文仅考虑船型满载出港和空载到港的工况。

2.2 载荷计算

2.2.1 空船重量

船型钢板重量通过定义钢材密度，而混凝土压载、机器设备、灯桅等物件则通过以质量点的形式加载至模型的相应位置。

2.2.2 舷外水压力本文将舷外水压力分为静水、迎浪的中拱和中垂三种工况，并结合船型的航区及作业条件限制[15-16]选取等效设计波，通过Patran的场函数形式加载波浪载荷至模型湿表面的各单元上。

2.2.3 货物载荷

由于休闲渔船渔获物极少，故本船货物载荷仅需考虑燃油和淡水载荷。此类载荷以均布力的形式加载至对应的舱壁及船底板上。

3 外龙骨对船型结构强度的影响研究

外龙骨是渔船船型的一大特色，在不减少鱼舱舱容的前提下，外龙骨能显著地降低渔船的重心，保证了渔船作业安全[17]。随着休闲渔船船型往游船船型发展，外形美观的各种上层建筑不断提高着船型的重心高度，利用外龙骨压载逐渐在休闲渔船的设计中得到了广泛的应用。

3.1 外龙骨的形式选取

渔船设置的外龙骨一般有2 种常见的形式：一是采用实心扁钢焊接在平板龙骨上，这种龙骨虽然效果好，但造价高，一般应用于远洋渔船上；二是利用钢板焊接成方形空心龙骨，并在内部填充混凝土，这种龙骨造价低、制作方便，已被广泛地应用于各类渔船中。

本文选取实心龙骨、钢板焊接龙骨、无龙骨3 种形式作为研究对象并分别建立相应的有限元模型进行分析，同时调整各模型中质量点的数量与分布，保证3 种模型的重量一致。

3.2 计算结果分析

由图2～4 可以发现：3 个模型船型在中拱和中垂工况下的最大应力明显大于静水工况，且中拱工况的最大应力普遍大于中垂工况。同时除静水工况外，纵向构件最大应力明显大于横向构件最大应力，这表明波浪载荷引起的总纵强度依然是处于遮蔽航区休闲渔船船型强度校核的重要内容。无外龙骨模型的最大应力基本大于有外龙骨的2 个模型，这种情况在纵向构件上表现得尤为明显，最大的空载工况下有外龙骨模型最大应力较无龙骨模型的最大应力减小约9%；而在静水工况，有无外龙骨对构件的最大应力影响较小。这表明了外龙骨对船型的总纵强度具有一定的改善作用，但对横向强度的影响不大。

图2 纵向构件最大应力对比Fig.2 Maximum stress comparison of longitudinal members

图3 横向构件最大应力对比Fig.3 Maximum stress comparison of transverse members

图4 甲板室最大应力对比Fig.4 Comparison of maximum stresses in deckhouse

4 计及作业载荷的船型结构强度分析

4.1 作业载荷计算与加载

捕捞体验式休闲渔船作业与捕捞渔船类似，本船型通过在船尾的起网机拖曳网具进行捕捞作业的示范与体验，网具拖曳产生的阻力通过曳钢作用至船型上。由于渔具阻力的成分构成复杂，目前还没有形成精确的计算公式[18-19]，本文采用如下所示的经验公式[20]进行估算，并将计算所得的渔具阻力通过船尾起网机基座上建立的MPC 点以一定角度加载至模型上。

式中：RN为渔具阻力；CP为推进系数，一般取0.25～0.30；P 为主机功率；v 为拖速。

4.2 计算结果分析

结合船型特性及装载工况[21]，选取满载工况作为休闲渔船作业状态下强度分析的计算工况。

由图5～7 休闲渔船作业与非作业工况最大等效应力对比可以发现：除满载中拱工况外，在同等情况下作业工况的船型构件应力基本大于非作业工况的应力，这可能是由于网具拖曳具有的一个垂直向下分力抵消了部分引起船型中拱状态的波浪载荷。同时，作业工况下的船型各构件最大应力分布依然与非作业工况的应力分布情况保持一致，即满载中拱>满载中垂>满载静水，这表明船型作业工况并非影响船型结构强度的主要因素。此外，满载装载下各构件作业与非作业工况的最大应力仅相差5%左右，表明了休闲渔船船型作业载荷对船型的结构强度并无明显影响，这是由休闲渔船不从事高强度捕捞生产作业这一特性所决定的。

图5 纵向构件最大应力对比Fig.5 Maximum stress comparison of longitudinal members

图6 横向构件最大应力对比Fig.6 Maximum stress comparison of transverse members

图7 甲板室最大应力对比Fig.7 Comparison of maximum stresses in deckhouse

图9～10 为满载各工况作业条件下全船的等效应力分布云图，由图可以发现，在中垂和中拱工况下，船型尾部的应力大于船型首部，这是由于作业时船型存在一定的艉倾造成船尾载荷大于船首而导致的。而在静水工况下，船型的应力主要集中在船尾起网机基座和油舱水舱附近的构件上。

图8 满载中拱作业下船型应力云图Fig.8 Stress nephogram under full load middle arch operation

图9 满载中垂作业下船型应力云图Fig.9 Stress nephogram under full load and mid vertical operation

图10 满载静水作业下船型应力云图Fig.10 Stress nephogram under full load static water operation

图11～16 为3 种不同龙骨形式下，空载中拱和满载中垂工况下主船体的变形云图。由图可以发现，主船体变形最大的区域位于船中稍微靠船尾的位置，且船首变形量小于船尾。实心龙骨在空载中拱工况下的最大变形量比钢板焊接龙骨和无龙骨模型分别减小了15.3%和16.5%，而在满载中垂工况下分别减小了10.3%和8.9%。

图11 空载中拱工况下无龙骨模型变形云图Fig.11 Deformation of hogging status under no loading condition with no keel model

图13 空载中拱工况下实心龙骨模型变形云图Fig.13 Deformation of hogging status under no loading condition with solid keel model

图14 满载中垂工况下无龙骨模型变形云图Fig.14 Deformation of sagging status under full loading condition with no keel model

图15 满载中垂工况下钢板焊接龙骨模型变形云图Fig.15 Deformation of sagging status under full loading condition with plate welding model

图16 满载中垂工况下实心龙骨模型变形云图Fig.16 Deformation of sagging status under full loading condition with solid keel model

5 结论

(1)休闲渔船外龙骨的设置虽然对船型在中拱、中垂状态下主船体变形有一定的影响，能够在一定程度上减小船体的变形量，但对船型的结构强度无明显影响。因此，选取钢板焊接并填充混凝土形式的外龙骨作为休闲渔船船型的压载是最经济的一种方式。

(2)休闲渔船的作业载荷对船型结构强度的影响并不大，这是由休闲渔船仅进行捕捞演示但不生产作业的特征所决定的。

(3)本文利用有限元软件在考虑作业载荷条件下进行船型结构强度计算的方法可为类似船型尤其是渔船结构强度直接计算提供思路，对渔船疲劳分析研究具有一定的参考价值。