桁拖渔船锚系泊支撑结构强度分析与研究

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(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)

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38 m，型宽5.80 m，型深3.20 m，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

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

1.2 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85 mm×85 mm。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CCS A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235 MPa，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127 kN和49 kN。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158.75 kN和61.25 kN。

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×cosβ

FY=f×cosα×sinβ

FZ=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

图4 船中系泊结构模型

2.2 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3.2 t，故船中、船尾带缆桩所受载荷均为15 680 N，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235 MPa，单元剪切应力许用值为141 MPa，而梁单元的许用应力为235 MPa。

表1 不同系泊工况下的破断载荷

4 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

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6 β=10°时不同水平夹角下模型应力云图

图7 β=90°时不同水平夹角下模型应力云图

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

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

图9 模型正应力云图

5 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。

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