基于晃荡载荷的养鱼水舱操作平台结构强度分析

王 靖，王 侨，张 怡，崔铭超

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2 青岛海洋科学与技术国家实验室 深蓝渔业工程联合实验室，山东 青岛 266237；3 国信中船(青岛)海洋科技有限公司，山东 青岛 266061)

在深远海作业的养殖工船主甲板下设有多个用于养殖鱼类的养鱼水舱，该舱类似液货船液舱。与常规液货船不同的是，养殖工船在波浪中航行或锚泊时，由于养殖作业要求，养鱼水舱养鱼工况装载至指定位置为非满舱装载，水体在部分装载工况或海况恶劣船体受到海洋环境中较大的激励时，养鱼水舱内的水体会发生比较常见的如驻波、组合波和飞溅等晃荡现象[1-3]。到目前为止，关于液货船液舱的晃荡研究得比较多，邹昶方等[4]在弹性支撑条件下进行过液舱的晃荡载荷试验研究；中国舰船科学研究中心的徐国徽等[5]在耦合运动条件下进行了液舱晃荡压力的研究；船级社、设计院和船厂等对多种液货船的液体晃荡对船体结构影响进行了研究[6-10]，但对于新船型养殖工船养鱼水舱的水体晃荡研究较少，特别是晃荡运动水平和载荷情况有待进一步研究。

在养鱼水舱内水体液面上方，沿舱壁四周设有观察、养殖操作等功能的钢质平台，即操作平台。养殖人员在舱内操作平台上工作时，为保证养殖人员安全，避免舱内水体晃荡严重时对人员产生拍击，该操作平台具有阻挡水体飞溅和拍击功能，设计为非开孔结构平台。由于水体强烈的晃荡对液舱内平台结构产生冲击，严重时会造成工作人员伤害及船体结构破坏[11-18]，舱内操作平台结构强度要进行分析计算。本研究主要对养殖工船养鱼水舱水体晃荡载荷计算和操作平台强度是否满足要求进行了探讨。

1 船型及舱型参数

养殖工船在船中设纵舱壁将养鱼水舱分为左、右液舱，设多个横舱壁将养鱼水舱在船长方向均匀分开。养鱼水舱及操作平台的横剖面示意图见图1。正常养鱼工况为部分装载工况，操作平台位于液面上方，满载工况时则浸没在水体中。该船的船舶类型和养鱼水舱的大小符合中国船级社《液舱晃荡载荷及构件尺寸评估指南》(下文《指南》)的适用范围[19]。为了满足养鱼水舱适渔性要求[20-21]，该舱舱壁上的筋、梁和纵横框架等支撑结构均设在舱外侧，养鱼水舱内不设置制荡舱壁。故该舱纵向有效晃荡长度为舱长，横向有效晃荡宽度为舱宽[22]。船型、养鱼水舱参数如表1所示。

表1 船型及舱型参数

图1 养鱼水舱及操作平台示意图

2 晃荡载荷

2.1 载荷概述

养鱼水舱内的操作平台设于水体液面上方，与纵壁焊接，其所受到的载荷有局部性载荷和总体性载荷[23]。局部载荷有舱内水体晃荡运动产生的晃荡载荷、工作人员载荷、放置在操作平台上的设备产生的载荷；总体性载荷是能够引起船舶整体变形或遭到破坏的载荷，有总纵弯曲力矩、剪力等。总体性载荷根据中国船级社《钢制海船入级规范》(简称《钢规》)计算后施加在舱段上[24]。作用在操作平台上的局部性载荷中除舱内水体晃荡载荷，其他载荷均可通过设备资料等得知，依据《指南》对养鱼水舱水体晃荡载荷进行分析计算。

2.2 晃荡周期

在晃荡分析之前，先进行晃荡谐振分析，即养鱼水舱内水体晃荡运动固有周期是否接近船体运动固有周期。《指南》指出，当养鱼水舱晃荡周期介于0.7倍船舶压载运动固有周期和1.2倍船舶满载运动固有周期之间时，产生晃荡谐振。船体横摇固有周期Tr和纵摇固有周期TP计算依据公式(1)和(2)。计算船体横摇运动固有周期，满载时为15.63 s，压载时为10.60 s；计算船体纵摇运动固有周期，满载时为13.51 s，压载时为11.58 s。液体纵向晃荡运动周期Tx和横向晃荡运动周期Ty计算依据公式(3)和(4)，计算结果见表2。

(1)

(2)

式中：kr为所考虑装载工况的横摇回转半径，m；g为重力加速度，g=9.81 m/s2；GM为所考虑装载工况的初稳性高度，m；dI为船舶所考虑装载工况下的平均吃水，m；d为吃水，m；L为船长，m。

(3)

(4)

式中：g为重力加速度，g=9.81 m/s2；ls为纵向有效晃荡长度，m；hl为纵向有效装载高度，m；bs为横向有效晃荡宽度，m；hb为横向有效装载高度，m。

2.3 晃荡运动水平

晃荡载荷依据养鱼水舱中水体晃荡运动情况和晃荡载荷大小分为水平一、水平二、和水平三。所有符合《指南》[19]适用要求的水舱均应计算水平一下的晃荡载荷；当养鱼水舱纵向有效晃荡长度ls≤0.13L(计算船长)或横向有效晃荡宽度bs≤0.56B(型宽)时，且养鱼水舱内水体纵摇、横摇运动周期在晃荡谐振周期范围内时，计算晃荡运动水平二下的晃荡载荷；当养鱼水舱纵向有效晃荡长度ls>0.13L或横向有效晃荡宽度bs>0.56B时，且养鱼水舱内液体纵摇、横摇运动周期在晃荡谐振周期范围内时，计算晃荡运动水平三下的晃荡载荷。符合晃荡运动水平二的水舱需计算水平一、水平二下的晃荡载荷；符合晃荡水平三的水舱需计算晃荡运动水平一、水平二和水平三下的晃荡载荷，使其结构强度满足要求。

2.4 晃荡载荷计算

舱高h为20.4 m，步长设为0.05h，满舱和部分装载的计算高度0.05～0.95h，具体见表2。当养鱼水舱内装载超过0.15h后，舱内水体的晃荡周期不在晃荡谐振周期范围内。依据晃荡水平等级判断，装载高度超过0.15h后，结合养鱼水舱的舱长、舱宽和舱高等参数不需要进行晃荡水平二和晃荡水平三下的晃荡载荷计算。养鱼水舱内操作平台位于0.80h以上，该处只需计算晃荡水平一下晃荡载荷。舱内水体横向和纵向晃荡载荷计算分别依据公式(5)和公式(6)，操作平台所受横向和纵向晃荡载荷取0.80h处的晃荡载荷计算结果，横向晃荡载荷为77.90 kN/m2，纵向晃荡载荷为57.09 kN/m2，见表2。

表2 养鱼水舱晃荡载荷和晃荡周期

p=ρg(hf-z)+ρgbtan(πθ/180)/2

(5)

p=ρg(hf-z)+ρgltan(πφ/180)/2

(6)

式中：ρ为海水密度，1.025 t/m3；g为重力加速度，取g=9.81 m/s2；hf为装载高度，m；b为舱宽，m；θ为横摇角，(°)；φ为纵摇角，(°)；z为舱底到舱壁计算点处距离，且不大于hf，m。

3 操作平台结构分析

3.1 计算模型

操作平台位于养鱼水舱内，其既受到局部性载荷，同时也受到总体性载荷，故该操作平台有限元模型建在舱段模型内。操作平台的有限元模型坐标系同舱段模型[25]，见图2。x向为船体的纵向，船首方向为正；y向为船体的横向，向左舷为正；z向为船体的垂向，向上为正。操作平台结构为船用普通钢材料。为清楚表达操作平台的模型范围，将操作平台模型放大引出，单独显示，见图3。

图2 有限元模型坐标系统

3.2 载荷和边界条件

操作平台施加载荷包括总体性载荷与局部性载荷。有限元直接计算边界条件根据《钢规》双壳油船结构强度直接计算进行施加[26-27]，模型施加局部载荷边界条件和总体载荷边界条件后见图3中模型显示。

图3 有限元计算模型

3.3 应力衡准和计算结果

依据该船所养鱼类对海况的要求，养殖工况对船体结构强度要求小于航行工况[28]，航行工况下的结构强度满足要求，则其他工况也满足要求。应力衡准依据《钢规》进行选取，该平台属于构件分类中的其他类，材料为船用普通钢，许用应力为195 N/mm2，见表3。

压载工况时，养鱼水舱内没有水体，舱内没有水体晃荡产生，故可不考虑压载工况下晃荡载荷对操作平台的影响。首先分析操作平台只在总体性载荷作用下的情况，最大应力为4.99 N/mm2，具体分析结果见图4。

图4 总体性载荷强度分析结果

非满舱装载时水体产生晃荡运动最为严重，为该船的满载出港工况，操作平台位置所受的载荷最大，经分析计算，各个结构单元应力水平均满足“钢规”衡准要求，计算结果见图5显示。该平台结构最大应力位置为舱内平台四角处，最大应力124 N/mm2，利用率为64%，去除四角位置由于集中应力影响的单元，该平台最大应力为64 N/mm2，位于平台的加筋处，该位置的应力更接近实际情况。根据应力云图，四角处可较其他位置适当加强，另外操作平台设于养鱼水舱，长期处于富氧、潮湿的环境中，设计时要适当考虑恶劣环境造成严重腐蚀，适当增加操作平台板材板厚[29-30]。

图5 操作平台强度分析结果

4 结论

养鱼水舱水体有效晃荡长度和有效晃荡宽度对液体晃荡周期有影响，进而影响晃荡运动水平，在总体布置阶段要考虑养鱼水舱的舱长和舱宽尺寸选取问题，尽量减小谐振晃荡影响范围。总体性载荷对该平台强度影响很小，其结构响应情况主要是舱内水体压力和其晃荡运动载荷决定。对于平台四角应力较大区域，可采取局部加强措施。