養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐賀,喬國(guó)瑞

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200023)

近年來(lái)新型養(yǎng)殖工船發(fā)展成為一種適應(yīng)性較強(qiáng)的深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備。由于適漁性要求及作業(yè)功能要求，養(yǎng)殖工船設(shè)計(jì)中產(chǎn)生了一些特殊的結(jié)構(gòu)形式。如為保證養(yǎng)殖艙內(nèi)部為光壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙殼、雙中縱壁，且前后養(yǎng)殖艙之間設(shè)置2道橫艙壁，所有艙壁扶強(qiáng)材都布置在養(yǎng)殖艙外側(cè)。為優(yōu)化養(yǎng)殖艙內(nèi)部流場(chǎng)，結(jié)合實(shí)際建造的便利性，在養(yǎng)殖艙4個(gè)角隅設(shè)置垂向三角艙結(jié)構(gòu)，使得養(yǎng)殖艙平面為八角形形式。為實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖艙的日常巡視要求，在艙內(nèi)自由液面以上四周圍壁上需設(shè)置走道平臺(tái)結(jié)構(gòu)。為滿足魚(yú)類不同成長(zhǎng)周期分級(jí)養(yǎng)殖功能，需設(shè)計(jì)趕魚(yú)通道結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)不同養(yǎng)殖艙間魚(yú)苗的轉(zhuǎn)移。由于養(yǎng)殖工船為新型船舶，目前針對(duì)養(yǎng)殖工船的研究多集中在發(fā)展現(xiàn)狀[1-4]及船體運(yùn)動(dòng)方面[5-6]，對(duì)船體特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析方面的研究[7]較少。養(yǎng)殖工船與雙殼油船結(jié)構(gòu)相似，但養(yǎng)殖艙數(shù)量較多，艙壁數(shù)量及艙室構(gòu)型使得養(yǎng)殖工船相比同尺度的油船等增加較多結(jié)構(gòu)重量。對(duì)于這類船舶，目前船級(jí)社尚無(wú)專門的規(guī)范。為此，考慮對(duì)目標(biāo)船參照指導(dǎo)性文件及相似船型規(guī)范[8-11]進(jìn)行基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工況選擇及強(qiáng)度校核，應(yīng)用有限元方法進(jìn)行養(yǎng)殖艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析，并對(duì)養(yǎng)殖艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)。

1 主尺度及總布置

該船主尺度見(jiàn)表1，總布置圖見(jiàn)圖1。

表1 養(yǎng)殖工船主尺度 m

圖1 養(yǎng)殖工船總布置

該船由艉至艏共布置9對(duì)養(yǎng)殖水艙，養(yǎng)殖水艙與舷外海水不連通。前后相鄰養(yǎng)殖艙間為循環(huán)水處理設(shè)備間。養(yǎng)殖艙區(qū)域舷側(cè)及雙層底為壓載艙，中縱兩道艙壁之間頂部為趕魚(yú)通道，下方為管弄通道。

2 規(guī)范研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CCS 《海上漁業(yè)養(yǎng)殖設(shè)施檢驗(yàn)指南》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)[8]對(duì)養(yǎng)殖工船設(shè)計(jì)做了較為詳細(xì)的說(shuō)明，關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)《指南》第10章第2節(jié)10.2.1.2條對(duì)構(gòu)件尺寸選取的規(guī)定如下。

1)全船結(jié)構(gòu)布置和尺寸應(yīng)滿足CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《鋼規(guī)》)[10]第2篇第1章、第2章、第5章、第6章適用要求。

2)有限航區(qū)航行的船舶適用于《鋼規(guī)》第10篇第2章的相關(guān)規(guī)定。

關(guān)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算，根據(jù)《指南》第10章第2節(jié)10.2.1.3，對(duì)于養(yǎng)殖艙與海水不連通的船式海上漁業(yè)養(yǎng)殖設(shè)施。

1)航行工況時(shí)，船長(zhǎng)為150 m及以上的船舶參照《鋼規(guī)》第2篇第5章第1節(jié)適用要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析。

2)養(yǎng)殖工況時(shí)參照CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《移規(guī)》)[11]第2篇第3章適用要求，根據(jù)實(shí)際載荷(重力及功能載荷和有關(guān)的環(huán)境載荷)進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析。

目標(biāo)船在遠(yuǎn)海航區(qū)航行，養(yǎng)殖艙區(qū)域結(jié)構(gòu)參照《鋼規(guī)》第2篇第5章雙殼油船部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。中橫剖面結(jié)構(gòu)圖及養(yǎng)殖艙區(qū)域典型強(qiáng)框架見(jiàn)圖2、3。

圖2 中橫剖面圖

圖3 典型強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)

3 工況及載荷

養(yǎng)殖工船設(shè)計(jì)主要分為遠(yuǎn)海航區(qū)航行工況及指定海域作業(yè)工況?；诒敬闹鞒叨?，根據(jù)《鋼規(guī)》，可不進(jìn)行波浪載荷直接計(jì)算。但由于養(yǎng)殖作業(yè)海況為指定作業(yè)環(huán)境條件，見(jiàn)表4，需對(duì)養(yǎng)殖作業(yè)工況波浪載荷及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行直接預(yù)報(bào)。

表4 養(yǎng)殖工況環(huán)境條件

參照《鋼規(guī)》第二篇第5章“雙殼油船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算”部分并根據(jù)養(yǎng)殖工船裝載手冊(cè)中的裝載型式，確定3艙段強(qiáng)度計(jì)算工況的裝載及船體梁載荷，見(jiàn)表5。

表5 工況及船體梁載荷

其中航行工況分為滿載及壓載工況，養(yǎng)殖工況分為滿載養(yǎng)殖及由于作業(yè)過(guò)程中需要對(duì)養(yǎng)殖艙進(jìn)行洗艙、檢修等而設(shè)定的3種隔艙裝載工況。

養(yǎng)殖艙有限元模型見(jiàn)圖4、5。有限元模型縱向范圍為3個(gè)養(yǎng)殖艙，橫向范圍取船體全寬。板材和主要支撐結(jié)構(gòu)采用四點(diǎn)殼單元模擬，縱骨及加強(qiáng)筋采用梁?jiǎn)卧M。網(wǎng)格尺寸取縱骨間距，開(kāi)孔以刪除相應(yīng)位置單元方式處理。

圖4 三艙段模型

圖5 內(nèi)部艙室結(jié)構(gòu)

養(yǎng)殖艙強(qiáng)度計(jì)算中除需考慮船體梁載荷外，還需考慮結(jié)構(gòu)自重、舷外水壓力載荷、液艙載荷、甲板載荷以及運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性載荷等。在模型端部采用MPC方式施加調(diào)整彎矩，使各種載荷作用下艙段中部彎矩達(dá)到各工況對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)合成彎矩。

4 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算分析6種工況，各主要區(qū)域結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果計(jì)算值/許用值 MPa

結(jié)果表明甲板、船底外板、內(nèi)底板、舷側(cè)外板、內(nèi)殼板、中縱艙壁、雙層底肋板、橫向強(qiáng)框架處最大計(jì)算應(yīng)力都低于規(guī)范要求許用應(yīng)力，屈服強(qiáng)度均滿足要求。

由表6可見(jiàn)，對(duì)于養(yǎng)殖艙縱向構(gòu)件，航行工況與養(yǎng)殖工況應(yīng)力水平相近，航行工況的縱向結(jié)構(gòu)應(yīng)力整體稍大于養(yǎng)殖工況。原因在于航行工況為遠(yuǎn)海航區(qū)，船體梁載荷稍大于養(yǎng)殖工況(見(jiàn)表5)。對(duì)于養(yǎng)殖艙橫向結(jié)構(gòu)，養(yǎng)殖工況計(jì)算應(yīng)力明顯高于航行工況，原因在于養(yǎng)殖工況隔艙裝載情況下，空艙內(nèi)外產(chǎn)生了較大的水壓力差，導(dǎo)致橫向強(qiáng)框架變形很大，見(jiàn)圖6?？拷鼨M框架底部轉(zhuǎn)角處的肋板承受了較大的應(yīng)力。

圖6 隔艙裝載工況橫框架變形

綜上，對(duì)于養(yǎng)殖工船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雖然航行工況的船體梁載荷較大，但當(dāng)養(yǎng)殖工況考慮隔艙裝載時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)應(yīng)工況下橫向強(qiáng)框架的設(shè)計(jì)。

目標(biāo)船每個(gè)養(yǎng)殖艙內(nèi)布置3道橫向強(qiáng)框架，根據(jù)艙段強(qiáng)度分析，提取所有工況的最大相當(dāng)應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)位于養(yǎng)殖艙中部的橫向強(qiáng)框架應(yīng)力明顯高于靠近前后艙壁橫向強(qiáng)框架對(duì)應(yīng)位置處的應(yīng)力，見(jiàn)圖7、8。原因在于構(gòu)成養(yǎng)殖艙的圍壁在水壓力作用下，整體板架中心點(diǎn)處的橫向變形最大。橫框架結(jié)構(gòu)是養(yǎng)殖艙圍壁板架的主要支撐結(jié)構(gòu)，位于養(yǎng)殖艙中部的橫框架變形相對(duì)于靠近前后橫艙壁的橫框架變形大，因此應(yīng)力水平更高。據(jù)此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中根據(jù)應(yīng)力水平采用了強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)規(guī)格差異化設(shè)計(jì)方法。由于整船橫向框架數(shù)量較多，減少的結(jié)構(gòu)重量比較可觀。

圖7 養(yǎng)殖艙中間強(qiáng)框合成應(yīng)力分布

圖8 養(yǎng)殖艙靠近艙壁強(qiáng)框合成應(yīng)力分布

與雙殼油船或FPSO等大深艙類型船舶舭部底邊艙斜板上下端折角處的橫向肋板應(yīng)力集中現(xiàn)象一致，本船靠近舭部及船中處的養(yǎng)殖艙底部斜板上下折角處肋板同樣在深艙水壓力作用下產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中。與此相似，用于優(yōu)化艙內(nèi)流場(chǎng)而在養(yǎng)殖艙四周角隅設(shè)置的三角艙垂向艙壁在水壓力作用下，將載荷傳遞至橫、縱艙壁，其垂向艙壁與橫縱艙壁水平桁相交處產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，見(jiàn)圖9。

圖9 三角艙與水平桁相交處的應(yīng)力集中現(xiàn)象

大型養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙室較多，因此同樣的應(yīng)力集中點(diǎn)數(shù)量很多。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

在養(yǎng)殖工況隔艙裝載時(shí)，位于雙殼、雙中縱壁之間的，靠近底部的水平縱桁平臺(tái)結(jié)構(gòu)，在承受單側(cè)水壓的情況下，發(fā)生水平彎曲變形。而水平縱桁一般為縱向加筋形式，極易發(fā)生板格屈曲，見(jiàn)圖10。

圖10 水平縱桁屈曲利用因子

圖10說(shuō)明，在空載艙室兩側(cè)的水平縱桁在不增加防屈曲筋情況下屈曲利用因子已超出許用值。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意此處的屈曲問(wèn)題，適當(dāng)增加橫向防屈曲筋，增加板格抗屈曲能力。其他區(qū)域的屈曲校核不再贅述。

5 子模型細(xì)化分析

相對(duì)于雙殼油船，養(yǎng)殖工船配備了循環(huán)水處理系統(tǒng)、趕魚(yú)通道系統(tǒng)以及養(yǎng)殖艙液面以上的環(huán)形通道結(jié)構(gòu)。雙層底內(nèi)布置了非常復(fù)雜的管系，往往在靠近底部肋板端部需開(kāi)設(shè)較大的開(kāi)孔。由于布置空間的限制及作業(yè)功能需求，趕魚(yú)通道及環(huán)形通道的設(shè)置對(duì)橫向強(qiáng)框架端部結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了明顯的削弱。橫向強(qiáng)框架關(guān)鍵區(qū)域強(qiáng)度計(jì)算子模型見(jiàn)圖11。子模型縱向范圍為8倍骨材間距。模型中準(zhǔn)確模擬了各管系穿過(guò)處的開(kāi)孔以及各大型通道開(kāi)孔?？拷走吪摰母鏖_(kāi)孔區(qū)域、底邊艙上下折角處、中縱壁底部斜板上下折角處、主甲板強(qiáng)橫梁端部以及雙中縱壁上方的趕魚(yú)通道區(qū)域采用50 mm×50 mm的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行細(xì)化。子模型強(qiáng)度計(jì)算衡準(zhǔn)采用《海上浮式裝置入級(jí)規(guī)范》[9]第二篇第8章中局部細(xì)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的要求，見(jiàn)表7。

圖11 子模型

表7 細(xì)化網(wǎng)格強(qiáng)度計(jì)算衡準(zhǔn)

基于此前的強(qiáng)度分析結(jié)果，將各計(jì)算工況艙段模型與子模型界面處的位移施加至子模型，進(jìn)一步分析各關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。各關(guān)鍵區(qū)域細(xì)網(wǎng)格強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 細(xì)網(wǎng)格強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果 MPa

結(jié)果表明，與雙殼油船/FPSO結(jié)構(gòu)相似，應(yīng)注意底邊艙上下折角處及靠近折角的開(kāi)孔邊緣的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；為了保證養(yǎng)殖艙內(nèi)部無(wú)凸出結(jié)構(gòu)，雙中縱壁底部采用了與舭部底邊艙相似的斜板結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布特征與舭部相近；環(huán)形巡視通道的設(shè)置，需在主甲板下強(qiáng)橫梁端部開(kāi)設(shè)滿足正常通行的門孔。沿橫梁面板邊緣產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力傳遞路徑，最大應(yīng)力發(fā)生在橫梁端部放大的趾端處；對(duì)于雙中縱壁頂部趕魚(yú)通道結(jié)構(gòu)及靠近船中的橫梁端部通道開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果表明，雖然在單側(cè)艙室裝載情況下垂向肋板發(fā)生側(cè)向變形，但由于水平縱向通道平臺(tái)的設(shè)置限制了側(cè)向變形。該區(qū)域雖有多個(gè)大型開(kāi)孔，但應(yīng)力水平并不是很高。

6 結(jié)論

1)根據(jù)CCS《海上漁業(yè)養(yǎng)殖設(shè)施檢驗(yàn)指南》的說(shuō)明，結(jié)合《鋼規(guī)》及《移規(guī)》規(guī)范，可形成一套完整的用于養(yǎng)殖工船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算的方法流程。

2)對(duì)于新型養(yǎng)殖工船，應(yīng)針對(duì)航行工況及養(yǎng)殖工況分別對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。養(yǎng)殖工況的隔艙裝載型式可參照CCS《鋼規(guī)》對(duì)雙殼油船艙段強(qiáng)度分析的要求選取。

3)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注養(yǎng)殖工況中隔艙裝載時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，尤其是橫向框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度。在橫框架底邊艙上下折角處、雙中縱底部斜板的上下折角處、強(qiáng)橫梁端部趾端以及各靠近肋板端部的開(kāi)孔周圍會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中?？拷B(yǎng)殖艙前后艙壁的強(qiáng)橫梁應(yīng)力水平較位于艙中部的強(qiáng)框架應(yīng)力水平低，采用框架差異化設(shè)計(jì)方法，可一定程度減輕結(jié)構(gòu)重量。