桁拖渔船锚系泊支撑结构强度分析与研究

('桁拖渔船锚系泊支撑结构强度分析与研究王贵彪;张海波;崔雪亮;李国强【摘要】以某一近海桁拖渔船为研究对象,参照中国船级社(CCS)《钢质海船入级规范》,利用MSC.PATRAN软件分别建立船型、船首和船中锚系泊支撑结构的有限元模型,根据渔船实际锚系泊和作业情况对其锚系泊支撑结构进行强度直接计算.针对船中模型,分析不同系泊角度对船体支撑结构强度的影响以及渔捞载荷下的结构强度,并将系泊载荷以最危险的角度加载至船首模型进行强度校核,分析各工况下模型应力和变形情况.计算结果表明:各工况下船型锚系泊支撑结构强度均满足规范要求,且以锚泊工况的模型正应力最大,以渔捞辅助工况模型的正应力最小.当系泊绳索与中纵剖面夹角为90°、与水平面夹角为0°时,其结构应力达到最大,在实际作业中应尽量避免这种情况,以提高带缆桩及其支撑结构的使用寿命.本研究成果对桁拖渔船的设计和实际系泊操作具有一定的参考作用.【期刊名称】《渔业现代化》【年(卷),期】2019(046)001【总页数】7页(P74-80)【关键词】桁拖渔船;系泊角度;有限元;强度【作者】王贵彪;张海波;崔雪亮;李国强【作者单位】浙江省海洋水产研究所,浙江舟山316021;浙江省海洋水产研究所,浙江舟山316021;浙江省海洋水产研究所,浙江舟山316021;浙江海洋大学船舶与机电工程学院,浙江舟山316022【正文语种】中文【中图分类】U661.43中国渔船数量众多，但其产业边缘化、行业科技力量不足，导致其科研水平远远落后于一般商船[1-3]。锚系泊设备作为渔船重要的机械设备之一，其性能直接影响渔船的生产作业安全[4-5]。目前，对散货船、油船等诸多船型锚系泊支撑结构的强度分析已较为成熟[6-14]，为渔船的锚系泊结构强度计算提供了依据。而渔船的甲板主要用于调整网具和整理鱼获[15]，可用于锚系泊的空间较小，致使锚系泊系统也有别于一般商船。同时，随着近海渔业资源的枯竭[16-18]，渔船作业海域逐步外涉，桁杆拖网的规格、沉浮力及钢索的配置不断增大[19]，船型锚系泊时受到的风、浪、流等载荷亦不断增大[20]，其支撑结构强度需满足更高的要求。因此，需要针对渔船锚系泊的特点，对其支撑结构的强度进行计算与研究，为渔船锚系泊系统的设计提供参考。本研究以近海某桁拖渔船为例，该船总长38m，型宽5.80m，型深3.20m，利用MSC.PATRAN软件建立其首、尾锚系泊支撑结构模型，参照《钢质海船入级规范》(以下简称入级规范[21])和《钢质海洋渔船建造规范》(以下简称建造规范[22])，并结合桁拖渔船的实际作业情况，对锚系泊支撑结构的强度进行计算，分析不同系泊角度对结构强度的影响，以便能够为渔船设计和实际锚系泊作业提供参考。1有限元模型1.1桁拖渔船船型锚系泊布置概况渔船甲板的可利用空间有限，其系泊带缆桩一般设置在舷墙上，并与主甲板牢固焊接，且不设置导缆滚轮及导缆孔，全船首、中、尾共设置6个带缆桩，系泊布置如图1所示。图1桁拖渔船锚系泊布置Fig.1Anchorandmooringarrangementofbeamtrawl而其锚泊系统也有别于一般船型，由起网机兼做锚机，抛锚时将钢丝绳系于船首中部的带缆桩，锚泊布置及锚链走向如图2所示。图2锚链走向示意图Fig.2Diagramofanchorchaintrend1.2结构模型根据船型相应的图纸，建立结构有限元模型，其中，船中和船尾带缆桩受力情况与结构布置情况类似，故只对船中和船首的锚系泊结构进行建模。模型采用右手坐标系建立：X轴沿船长向船首为正方向；Y轴向船宽向左舷为正方向；Z轴沿型深垂直向上为正方向。同时，对带缆桩附近网格单元进行细化处理，细化网格边长约为85mm×85mm。有限元模型如图3和图4所示。1.3材料属性该船型结构均采用CCSA级钢材，其弹性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比为0.30，材料屈服强度为235MPa，密度为7.85×10-9t/mm3。2载荷工况根据样本船型的舾装数及建造规范[22]，查得该船锚链和系船索的破断负荷分别为127kN和49kN。由于渔船锚泊时钢丝绳系泊于船首中部的带缆桩上，故其安全系数参照入级规范[21]中系泊情况取为1.25，对应的载荷则分别为158.75kN和61.25kN。2.1锚泊工况由于船上可利用空间有限，渔船锚机一般由起网机兼做且不设置挚链器，抛锚时将与锚链连接的钢丝绳直接系在船首正中的缆桩上。锚泊时钢丝绳与水平方向夹角为5°，与中纵剖面夹角为4°。故将其破断载荷通过式(1)分解并加载到带缆桩对应的MPC节点上。FX=f×cosα×cosβFY=f×cosα×sinβFZ=fsinβ(1)式中：f—破断载荷，N；α—缆绳与水平方向的夹角，°；β—缆绳与中纵剖面的夹角，°。图3船首锚系泊结构模型Fig.3Modelofanchorandmooringstructureofbow图4船中系泊结构模型Fig.4Modelofmooringstructureofmidship2.2系泊工况由于渔船未设置导缆滚轮，系泊缆绳的角度不是固定不变的，为研究系泊角度对系泊支撑结构强度的影响，本文选取系泊缆绳与水平面夹角α为0°、20°、40°、60°，与中纵剖面夹角β为90°、70°、50°、30°、10°等20种工况来计算系泊结构的强度，并通过式(1)分解。表1为不同系泊工况下的破断载荷。2.3渔捞辅助工况除正常的系泊外，桁拖渔船船中和尾部的带缆桩还具有起渔获时固定桁拖杆的作用，载荷方向为垂直向下。根据携带的渔具资料，该船型桁拖杆、沉浮子等质量约为3.2t，故船中、船尾带缆桩所受载荷均为15680N，方向竖直向下。3边界条件及许用应力3.1边界条件设置根据入级规范要求，支撑结构的端部和模型下端限制平动3个自由度，而船中系泊结构模型由于船型的对称性，在模型中纵剖面的节点处设置对称边界条件。3.2许用应力根据入级规范，板单元相当应力的许用应力为235MPa，单元剪切应力许用值为141MPa，而梁单元的许用应力为235MPa。表1不同系泊工况下的破断载荷Tab.1Breakingloadunderdifferentmooringconditions工况αβ破断载荷/NFxFyFz工况αβ破断载荷/NFxFyFzLC0190°06125000LC1190°046920.2239370.74LC0270°20948.7357556.170LC1270°16046.7344088.0339370.74LC030°50°39370.7446920.220LC1340°50°30157.9935940.8939370.74LC0430°53044.0630625.000LC1430°40631.7523458.7539370.74LC0510°60319.4710635.950LC1510°46204.728147.1439370.74LC0690°057556.6320948.73LC1690°030625.0053044.06LC0770°19685.5354085.5420948.73LC1770°19685.5354085.5420948.73LC0820°50°36996.6944090.9320948.73LC1860°50°19685.3723460.1153044.06LC0930°28778.3120948.7320948.73LC1930°26522.0315312.5053044.06LC1010°56682.219994.6020948.73LC2010°30159.745317.9853044.064结果与分析4.1不同系泊角度对支撑结构强度的影响首先以船中模型为研究对象，利用MSC.NASTRAN软件对不同系泊角度的系泊支撑结构强度进行计算，以确定渔船系泊最危险的角度，图5为计算结果。图中，横坐标为系泊缆绳与中纵剖面的夹角，而纵坐标为对应模型相当应力的最大值。图5不同系泊角度对结构强度影响Fig.5Effectofdifferentmooringanglesonstructuralstrength由图5可以发现，随着与中纵剖面角度的不断增大，不同系泊水平角度对应的应力基本呈增大趋势，但随着水平角度的加大，增大趋势逐渐减缓。在水平夹角α=60°时，不同中纵剖面夹角下，船体的应力已无明显增大。当系泊缆绳与中纵剖面夹角大于40°时，船体应力随着水平角度的减小而不断增大；而在β=10°时，随着水平角度的不断减小，应力呈现逐渐增大的趋势；当系泊缆绳与水平夹角为0°，而与中剖面夹角为90°时，结构模型的应力达到最大。因此，在实际渔船系泊中，应尽量避免这种情况的出现，从而降低系泊带缆桩处的应力，减小对应结构的损伤，提高其使用寿命。图6和图7分别为中纵剖面夹角β=10°和90°时，不同水平夹角α下模型结构的应力云图。从中可以发现，当β角较小时，随着α角的增大，正应力范围逐渐向带缆桩方向减小，而最大正应力则不断增大；而当β角较大时，正应力范围基本无变化，但随着α角的增大，最大正应力不断减小。船型在系泊时，应力主要集中在带缆桩、舷墙及舷墙纵桁上，而主甲板上的应力较小。因此，在主甲板带缆桩下方无须参照一般商船进行加强设计，其结构也能满足规范要求。图6β=10°时不同水平夹角下模型应力云图Fig.6Nephogramofmodelstressatdifferenthorizontalangleswhenβ=10°图7β=90°时不同水平夹角下模型应力云图Fig.7Nephogramofmodelstressatdifferenthorizontalangleswhenβ=90°4.2锚系泊支撑结构强度计算根据上文的计算结果，将锚泊、渔捞辅助工况以及应力最大的系泊工况加载至对应模型，并进行强度计算分析，各工况下应力结果见表2，各工况下的变形及应力分布云图见图8、图9。由表2可知，本船型的锚系泊支撑结构强度均满足入级规范要求，且锚泊工况的应力及变形最大，渔捞辅助工况最小。表2应力计算结果Tab.2Resultsofstresscalculation模型区域工况应力/MPa正应力剪切应力最大梁组合应力最小梁组合应力变形/mm船首模型系泊工况16693.7191-1735.89锚泊工况222127180-20210.0船中模型系泊工况192100198-1685.40渔捞辅助工况23.112.827.0-8.890.21由图8可以发现，在系泊工况下，离带缆桩越近的结构，其变形量也越大，最大点均位于带缆桩上，但舷墙与主甲板交界处几乎不存在变形；在锚泊工况时，变形最大处亦位于带缆桩上，且带缆桩前端主甲板的应力明显小于其后端；而渔捞辅助工况时，变形最大的区域则位于舷墙、主甲板与带缆桩的连接处，但其本身的整体变形却保持一致。由图9发现，系泊工况构件的应力主要集中在舷墙以及舷墙纵桁区域，且舷墙上方的结构应力明显大于舷墙下方；而渔捞辅助工况应力在舷墙及舷墙纵桁上的分布较为均匀。鉴于渔船靠泊、碰撞以及起升桁拖杆等较为频繁，可在首部舷墙以及带缆桩区域的舷墙增设舷墙纵桁以加强其结构；而在锚泊工况时，应力主要集中于带缆桩下方的甲板及甲板纵桁上，设计时可在其下方采用增设强横梁或肘板等措施加强，以保证锚泊时船型的结构强度。图8模型变形云图Fig.8Deformationofmodel图9模型正应力云图Fig.9Stressnephogramofmodel5结论参照中国船级社(CCS)相关规范并结合桁拖渔船实际作业情况，利用MSC.PATRAN软件对其锚系泊支撑结构强度进行直接计算，并分析不同系泊角度对渔船结构强度的影响。各工况下桁拖渔船锚系泊支撑的结构强度均满足入级规范的要求；各工况下，以锚泊工况的正应力最大，以渔捞辅助工况正应力最小。不同系泊角度对其支撑结构强度的影响较大，在缆绳与中纵剖面夹角为90°、与水平面夹角为0°时，结构的变形和应力达到最大。□参考文献【相关文献】[1]徐皓,赵新颖,刘晃,等.我国海洋渔船发展策略研究[J]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