【《养殖工船的结构设计及有限元仿真研究》18000字】

养殖工船的结构设计及有限元仿真研究摘要面对当前严峻的近海养殖环境以及人们日益增长的水产品需求，海水养殖日益成为了目前国内外渔业养殖的主要发展方向，凭借其高品质的水源、适宜的地域特征和水温，以及极少的陆源性污染等优势。养殖工船是典型的具有依靠自身发动机可以航行的船舶即具有自航能力、长期系泊在固定海域作业的工程船舶。在其功能上承继绿色养殖理念，以有利于鱼的繁殖为目的并且为了高效率的养殖，养殖工船会对船体结构、推动形式、零碎系统等方面不断进行优化设计，通过高科技实现养殖空间与船体有机结合，构建绿色、高效、集约化舱养空间；通过创新系统集成与模式，创始智慧养殖新模式，可有效的防止近海和远洋的养殖污染现象的发生和减小远海养殖危险，同时可带动与之相关的多个产业的融合发展，推进近远海养殖设备的发展，引领我国海水养殖新趋势。随着养殖工船的应用日益广泛，对养殖工船差异工况下的结构的优化设计和强度校核进行正当、精确的分析计算是十分有必要的。本文以某养殖工船为研究对象，在给定基本结构图、桁架结构图和主尺度的情况下，通过运用有限元分析软件Patran建立三维有限元模型计算该养殖工船的局部结构强度，进行相关强度校核，看其是否满足强度要求，为工程实际需求提供参考。本文的主要内容如下：（1）收集所研究的养殖工船的相关资料，计算工况和相关载荷，总布置图、基本结构图和桁架结构图。根据CCS规范计算相关许用应力。（2）运用有限元软件Patran建立全船模型即船首浮体，中间桁架和船尾浮体结构；（3）选取适宜的单元类型和尺寸，对养殖工船模型进行网格划分，生成有限元模型；（4）按有差别的工况，对应标准和工程实际的需要，对有限元模型施加不同的边界条件和相应的载荷；（5）计算得出船体三个部分结构有限元模型在各工况下受力状况；（6）比照梁和板的强度计算结果，判别该船各部分的强度指标能否合乎《规范》要求。（7）根据各部分强度分析结果，对比最大应力及变形位置，得出相应结论，提出结构优化意见，为工程实际需求提供参考。关键词：养殖工船；有限元分析；强度校核；工程实际目录TOC\o"1-3"\h\u11440第一章绪论 5132311.1课题研究背景 5314411.2课题研究意义 5110091.3国内外研究现状 6317071.3.1养殖工船的简介 6200921.3.2养殖工船的发展概况 627521.3.3船体结构直接计算流程 828267第二章船体结构强度计算 969652.1船体结构强度概述 9271062.2船体结构强度的直接计算方法 9106032.3有限元方法 10102582.3.1有限元法的发展 10298292.3.2有限元方法在船舶结构强度校核中的应用 1130050第三章养殖工船全船有限元模型建立 12168633.1MSC.Patran/Nastran计算流程 12107853.2养殖工船的相关资料 1259803.3模型的单位制及材料参数 15286953.4模型的建立 1534143.4.1模型的范围 15259113.4.2坐标系 1674023.4.3边界条件 163390第四章计算工况和载荷 17137414.1评估依据 17207494.2计算工况 17322774.3舷外水压力 185014.4压载水 19317684.5上层建筑压力 19185204.6船的自重 1940454.7拖航工况船首拖曳点拉力 20246434.8桁架工作工况装载补充 20143574.8.1相关说明 20235374.8.2吊机重力 2165534.8.3弯矩 2190494.9船尾甲板荷载 22170544.10许用应力 2224883第五章养殖工船局部结构强度校核 23149665.1拖航状态下船首结构拖曳点的受力分析 23207595.1.1各个工况应力计算结果 2386115.1.2分析与总结 29162925.2工作状态下吊机对桁架结构受力的分析 3040665.2.1桁架强度及刚度计算结果 30217145.2.2分析与总结 4219755.3工作状态下船尾结构的受力分析 43168565.3.1船尾甲板结构的强度和刚度计算 43213005.3.2分析与总结 45305495.4本章总结 4631754第六章总结 47第一章绪论课题研究背景随着我国经济的快速发展，人们对高质量水产品的需要日益增长，近年来，我国近海海洋环境逐渐恶化，传统的养殖设备已难以支撑起人们的需求。为解决上述问题，国内水产养殖行业开始将目光转向水质优良的深远海，积极探索深远海养殖技术，深远海养殖工船应运而生REF_Ref21584\r\h[1REF_Ref21617\r\h-5]。中国目前的海水养殖包含陆地和浅海养殖。由于养殖空间不足且海水养殖数量过多，灾难频发，环境逐渐恶化。深远海养殖的交换效率高且海水纯净，由于要鼎立发展深远海养殖工程，所以实现海水养殖的可持续发展，大型养殖工船是重要的发展方向之一。区别于传统观念上的陆上养殖，养殖工船做到利用船舶自身优势在深远海区域进行游弋式养殖即船舶能做到养殖活鱼与正常的运输作业，使用了可游动的网箱，实现了捕-养-运相结合，船舶的功能增加了许多，且效率也高，使用水密船舱养殖可以隔绝外界海水，使其可以不受外界海水环境和温度影响，有益于解决传统近海养殖业带来的问题。养殖工船使用相对封闭的船舱作为养殖空间，通过汲水管将船外不同深度的海水抽入舱内进行养殖生产，来满足不同海水鱼类对水温和水质的特殊要求。因为近岸及陆基养殖空间限制以及环境保护，阻止了水产品产量和品质的进一步提高，渔业养殖正在经历从内陆沿海走向深远海养殖的转变进程。党的十九大报告指出：15年以后，中国要在全面建成小康社会的基础上，基本实现社会主义现代化REF_Ref22544\r\h[6]。同时还提出要坚持陆海兼顾，加快建设海洋强国。所以养殖工船作为远深海养殖设施之一为落实我国海洋强国策略和推进我国海洋渔业智能化现代化发展起了十分重要的领头作用。养殖工船作为新型概念船，不同与常见的传统渔船和商船，对于此类船舶，目前船级社现行规范中并无专门船型规范可以参考REF_Ref23158\r\h[7]。但为了对此类船舶进行计算和分析，采用了近似手法，目前养殖工船的强度计算是参照船舶规范中适合的篇章进行的，然后再运用有限元手法进行结构强度直接计算与分析（计算方法与一般的船舶一致）。因为船体强度分析与船舶建造进程中资源投入的合理性以及其水上作业的安全性有很大的关系，所以是船舶设计中的重中之重。本课题着重对某养殖工船三个局部构件在各工况下局部结构强度进行强度校核，依据不同位置校核结果，得出相应的论断，为工程实际中养殖工船安全工作提供参考。课题研究意义我国拥有丰富的海洋资源，而世界对于水产品的需求强劲，有着极好的未来市场前景和经济效益。近年来挪威先进深海养殖装备也在我国开工建造，为我国在先进深海养殖装备的建造上累计了宝贵经验，但与全球的领先国家所掌握的深远海养殖相关研发技术相比还存在差距，对于大型深海渔业养殖装备的研究势在必行。鱼类作为优质的蛋白质获取来源，其需求量在近50年都呈现稳固提升的趋势。但是近年来中国近海渔业资源日益衰减，海洋捕捞产量逐年减少，海水养殖成为水产品的主要供应渠道。这极大促进了国内养殖工程的发展，近年来养殖工船发展迅速，并且为了响应国家构建海洋强国的号召，海水养殖设备发展力度不断加大。由以上结论可知，分析和研究养殖工船局部结构强度具备非常重要的现实意义，在进行该类养殖工船的结构设计时，对船体局部结构强度分析需要有一个综合性考虑。尤其是养殖工船在各类工况作用下，必须要考虑不同工况和载荷对船体局部结构强度的影响，这样才能保证养殖工船的安全。因而，对养殖工船局部结构强度计算进行多工况多要素考虑是本文的主要目标和意义。其次根据有限元软件Patran的强度计算结果，针对课题所研究的养殖工船模型不同局部结构承载能力得出相应结论，为解决工程实际问题提供了帮助。国内外研究现状1.3.1养殖工船的简介养殖工船作为一种全新的海水养殖设备能够实现养殖活鱼与正常的运输作业同步进行，此外为了提高鱼类的存活率采用不同季节运输到适宜养殖鱼的海域即南北接力养殖，有时南方养殖的鱼会被送到北方养殖一段时间，实现海水养殖业绿色、可持续、高质量发展并且还融合了船舶海洋工程装备与工业化养殖两个产业。为了满足我国养殖消费，需要开发或革新适宜的可移动的海上养殖工船。船级社《海上渔业养殖设施检验指南》将可移动养殖工船定义为具有船形、排水型结构的，有自航能力，当船漂浮时采用定位系统，可防御比较危险的海上环境，配有能在设定水深下进行养殖作业的设施。此类船舶主要用于国内某海域鱼类的养殖及加工（沿海、近海、远海），可在工作海域自由航行，实现了自存状态下躲避台风工作状态下可以航行到适宜的养殖海域等），并在预定海域开展定点养殖及鱼产品加工。不同的养殖工船差别很大，有些船舶的养殖水体可达10万吨级，自持力一般至少一个月，有的可达90天，一般而言，船型越大，经济收益越显著。该船型一般具有养殖培育鱼苗、加工饵料、储存、冷藏、运输及投送饵料功能，一般配有低速柴油机但有时也采用电力推进的方式（配备应急/养殖发电机），船上的设备包括定位系统、起重机和停靠设备、水循环交换系统、供氧系统、中央控制系统、储藏库等REF_Ref26985\r\h[8]。1.3.2养殖工船的发展概况早在上世纪八十至九十年代，欧美发达国家就提出了大型养殖工船的概念，包括各类海洋平台、以船为主体的养殖车间、船舱养殖以及在一定水深的半潜式网箱工船等多种模式，并进行了积极的摸索，为产业化发展提供了一定的技术基础。如西班牙设计的半潜式金枪鱼养殖船，共有12万方水体，可帮忙各个渔场运输活捕金枪鱼（最多可运400吨），可将其运输至适宜地培育，最终运往销售地。美国提出的移动式养殖平台，采用的是电力推动式发动机，生产功能完全。5年前的5月，挪威KjellLorentsen公司研制了长430米，宽54米的巨型“船”（如图1所示），可容纳10000立方米水体，可在200米深进行养殖生产。此外，法国、日本等国也先后制作了大型的养殖工船。大型养殖工船在欧美等发达国家虽有诸多实践，但始终未形成主体产业，消费规模有限REF_Ref28288\r\h[9]。图1挪威深海养殖工船目前我国深远海养殖工船的研究才刚起步，此方面还需多向国外的学者学习。二十世纪七十年代，雷霁霖院士提出了“未来海洋农牧场”建设蓝图，第一次展现了在我国建造养殖工船的初步构想。近年来，水科院渔业机械仪器研究所先后开展了大型养殖工船系统研究，形成了一批技术知识产权，并与有关企业联合启动的产业化项目。大型养殖工船方面，我国已交付、在建及计划建造装备共4座，其中已交付经营2座，在建及计划建造2座（如下表1所示）。其中包括，由中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所和中国海洋大学联合研发设计了我国第一艘养殖工船“鲁岚渔养61699”（如图2所示），该工船长86米，型宽18米，型深5.2米，提供2000立方米养殖水体。拥有十多个养鱼水舱，可满足冷水团养殖鱼苗培育和看护要求，为养殖工船系统优化和技术推广积累相关工程经验，因此开展三文鱼养殖试验REF_Ref29415\r\h[10]。去年的10月，我国的大船集团交付全球首制、具有完全自主知识产权的舷侧开孔式养殖工船“民德号”（如图3所示），该船由普通散货船改装而成，具有鱼类养殖、饵料加工、活鱼运输等功能，其主体改装是将2个货舱改造为2个鱼舱，总养殖水体量约6200立方米。去年的12月，全球首艘10万吨级智慧渔业大型养殖工船“国信1号”（如图4所示）在青岛北船重工启动建造，该养殖工船载重量约10万吨，养殖水体达8万立方米，船长249米，型宽45米，设计航速10节，年产值2～3亿元。拟开展大黄鱼、石斑鱼、大西洋鲑、黄条鰤等优质鱼种养殖，预计年产能约四千吨。图2“鲁岚渔61699号”图3“民德号”图4“国信1号”表1我国现有养殖工船1.3.3船体结构直接计算流程养殖工船航行工况是指从一个养殖海域运行到另一个养殖海域，养殖工况是指船舶在固定的海域进行鱼类养殖作业，船体结构直接计算应分别校核航行工况和养殖工况两种工况。航行工况直接计算依据“钢规”前几篇章节的双壳油船的适用章节，养殖工况直接计算依据“移规”对海上平台的适用要求，两种工况计算流程如图5和图6所示。航行工况直接强度计算计算载荷：设计载荷依据“钢规”中前几章的“结构强度直接计算”章节，静水弯矩取许用静水弯矩，波浪弯矩根据“钢规”中前几章的“舱段结构强度直接计算”章节要求计算获得。2）边界约束条件：根据“钢规”前几篇的章节的双壳油船要求。3）计算评价及建模范围：考虑到养殖舱室安置的对称性以及舱室构造设计的相似性，因而有限元模型长度选取半-全-半的养殖舱，宽度选取左舷舱段半宽模型作为舱段有限元分析的建模区域，选取中间舱的计算结果作为舱段有限元分析的强度读取区域。4）装载工况的选取：按本船装载规范中航行工况中压载、满载、隔舱装载等进行。5）屈服强度校核：许用应力按照“钢规”前几篇的章节的双壳油船要求。6）屈曲强度校核：屈曲安全系数和构件标准板厚度按照“钢规”前几篇的章节的双壳油船要求选取。图5航行工况直接计算流程图6养殖工况直接计算流程（2）养殖工况直接强度计算依据“移规”中并未明确指出直接计算的处理方式。因而借鉴航行工况的相关处理方法。1）环境条件：依据养殖工况时特定的作业场地和作业天气，确定五十年一遇的环境条件计算对应的环境载荷并进行加载。2）计算载荷：由于本船不要求自存工况，按照海洋工程的一般做法，对应的波浪载荷根据具体的环境条件进行假设。主要的波浪参数选择沿y轴的弯矩，沿y轴的弯矩由所在海域读取设备统计得到。同理可得航行工况下的养殖工船的边界条件、计算评价及建模领域。3）装载工况的选取：当船舶在运行过程中空载或满载的状态，选取装载规范中实际的对应工况。4）屈服强度和屈曲强度校核：衡准采用“移规”前几篇章节中的应力衡准和屈曲校核衡准。第二章船体结构强度计算2.1船体结构强度概述船体结构强度是指在不同工况作用的条件下船舶结构材料在各种外力的共同作用下抵抗破坏和断裂的能力，保证结构不被破坏。研究船体结构强度的目的是使船舶在满足规范设计要求和满足良好的经济性的前提下，保证船舶在工作或自存状态下都能安全的进行作业。船体结构直接强度计算主要由以下三部分内容组成：船体结构上外力的确定。按其是否随时间变化分为不变载荷和动载荷。前者作用力大小和方向不会随时间变化，包括船体自身重量、内部液体压力载荷、货物压力载荷以及船体受到的静水压力等。后者作用力的大小和方向会变，具体变化情况应根据实际情况看，主要包括压载水压，作用于船体的波浪载荷，船体受到的舷外水压，波浪弯矩、扭矩以及由于船体运动引起的液体惯性压力。船体结构上内力和变形的确定。这主要是指船体构件在外力作用下引起的构件内部各种变化，包括内力及变形等。船体会由于外载荷的作用发生整体的弯曲变形，也会因为局部载荷而发生局部的变形甚至断裂。所以，根据船体结构整体或某一局部的受力状态，船体强度可分为总纵强度、横向强度和局部强度，此外船体结构强度的计算还应该保证船体构件的稳定性和必要的刚度。确定合适的强度标准。通过查阅现行规范，找到对应不同材料的安全系数，得到对应的许用应力确定结构出现破坏时的临界状态，并在其他不确定因素影响下，考虑一定的安全裕量，确定合适的强度标准，最后对强度条件进行对比检验，判断船体结构是否满足要求。2.2船体结构强度的直接计算方法船舶结构强度方面的分析与计算的发展历史很久远，在有限元方法出现以前，一般是通过人工手动计算的。首先需要利用相关的经典力学理论，对船体的加筋板、板材和梁系等几大部分，建立对应准确的理论计算公式，由此形成手工计算方法，船舶结构力学应运而生。船体强度的直接计算方法是将船体结构理想化为一根变截面的梁，在总体弯矩、静水压力和重力联合作用下发生弯曲变形，根据梁的弯曲理论计算船体梁不同截面上的内力，并与其要满足的许用应力进行比较从而判断船体强度是否满足要求。然而，其实际受力及其船体结构相当复杂，例如有不确定的波浪荷载、货舱大开口而导致的船体局部结构应力过于集中的现象、以及会产生各种不连续构件等，这样就导致近似处理方法存在很大的误差。另外在进行局部结构强度计算时，通常也需要将整体结构中简化分离出一部分，把结构模型及荷载理想化后再进行计算。因此，在船体的结构强度计算中，局部强度和总纵强度是单独进行的，两者的强度计算结果需要通过线性叠加的方法合成为一最终结果。但实际中，在船舶的运营过程中，其局部强度、横向强度和总纵强度问题是同时进行的，将其分开计算并不是真实的计算结果。在船舶设计计算过程中，设计者需要满足的规范要求往往利用的是大量实船的统计资料、经验公式以及传统的船体结构强度计算理论，所以各船舶强度需求不能精确表达。因而设计建造单位为了保证船舶安全，多数情况下采用比较大的安全系数，这样也不可避免的导致建造过程中材料的浪费和营运成本的增加。随着计算机的出现和快速发展，大大提高了数据处理能力，巨大的结构强度直接计算工作量变成了可以解决的问题。同时随着研究人员不断探索和创新，计算理论和方法也在日新月异的发生着改变，这也同样推动着船体强度直接计算方法的改进REF_Ref30509\r\h[11]。2.3有限元方法2.3.1有限元法的发展随着时代的发展，经过人们的不断努力和实践，例如数学和物理问题等很多科学领域里难题，都已得到对应的基本方程和相应的定解条件，但很少问题能够通过解析法求出精确解，大多数问题因为非线性的方程以及不规则的几何形状等，难以得到解析解。所以当我们处理这类问题时，一般有两种方法，一是需要进行深层次的探究计算前提出假设，简化方程和特定形状下求得对应假设的定解；另一种是采用数值法求解问题的近似解，有限元分析法应运而生。有限元方法的发展历史悠久，国外的发展历程（如下表2所示）。表2国外有限元方法的发展众所周知，有限元法由静力问题发展到了动力问题、波动问题和稳定问题；从确定性分析发展到了随机有限元，从线弹性发展到塑性（物体变形的能力）和非线性（不成比例，不成直线的关系，一阶导数不为0）有限元法的理论和公式在不断的完善。目前有限元法已被公认为是处理力学、物理和土木问题的有效工具。随着计算机技术的高速发展，有限元法的应用越来越广泛。有限元法的应用起始于上世纪六十年代，有限元法作为一种数值计算方法，以计算机技术为基础广泛应用于船舶结构强度分析领域。1969年，罗林对“有限元法对船舶结构设计的影响”展开深入研究。随着科技不断进步，有限元软件不断更新和强化，相继问世了如MSC.Patran、Ansys、Abaqus等软件，在船舶结构研究领域已广泛应用此类软件代替手工计算进行船舶结构应力的计算，高精度，高效率。面对新船型或部分超出规范要求的船舶，无法应用规范对其进行理论上的计算与分析，但如今通过有限元法可以解决。如今应用有限元方法计算船舶结构问题并已经被大多数的国内外学者所广泛认可，并且已有国内外众多学者应用此方法解决了多项工程实际问题。研究有限元方法相关学者思想发展进程（如下表3所示）。表3国内有限元方法的发展由上可得，国内外许多学者应用有限元方法在船体结构强度分析方面做了许多研究，具有很大的参考价值，本文将基于有限元软件Patran对某养殖水体为32000立方米的养殖工船局部结构设计的安全性及合理性进行直接强度计算分析和校核。2.3.2有限元方法在船舶结构强度校核中的应用当前，随着陆地资源不断枯竭，海洋资源的不断开发和船舶大型化不断发展的趋势，船舶造型日新月异，新型结构和功能的船舶不断涌现，这就要求我们寻找更高效的船体结构计算分析方法，有限元方法应运而生。随着强度计算理论的不断完善和有限元软件的发展，船体局部结构以及整船结构的相关计算可以通过建立船舶有限元模型实现，有限元方法为船体结构强度分析带来了巨大飞跃。有限元方法的计算流程如下：首先需要将连续的船体分割为有限元单元，这些单元可以准确模拟船体外力载荷和变形，其次利用有限元软件对船体模型进行分析求解，就可以得到船体结构各构件的应力响应，最后就可以判别及评价船体强度。对于组成有限元模型中的每一个单元，都可以采用节点位移和设定的插值函数（是利用函数在某区间中插入若干点的函数值,作出适当的特定函数）模拟或逼近单元内部的连续位移场函数，然后基于弹性理论的基本力学关系或变分原理建立单元的节点力和节点位移的平衡方程，将所有单元的平衡方程依照自由度的次序组和起来，即可得到整个结构的平衡方程，对于线性静力问题，它是一个以节点位移为未知量的代数方程组。最后通过求解可以得到船体有限元模型中各个离散节点位移值的近似解，从而将一个连续的无限空间场（或平衡方程）的问题，近似为一个离散的有限自由度问题来求解REF_Ref17680\r\h[12]。总而言之，通过有限元方法，一个复杂问题被分解为简单的问题得到了解决。如今，有限元方法是解决船舶工程问题的重要研究方法，主要应用于下面几个方面：固体学问题目前，船体结构的有限元应力计算已作为船舶安全规范的重要依据。结构静力分析也不仅仅局限于简单的线性问题分析，现在已逐渐拓展到材料非线性和几何非线性的研究，从以往的小变形问题计算拓展到大变形问题的分析计算。流体学问题有限元程序的不断研究发展，解决了困扰着研究船舶结构领域的动力分析的学者多年的难题。利用水弹性理论和流固耦合方法，可以对船舶结构进行动力响应分析。使用非线性动态响应程序可对船舶舷侧结构的碰撞响应进行计算，同时也可解决瞬态响应问题。稳定性问题船舶研究工作者使用有限元方法对加强板格和板架的稳定和极限强度问题做了大量研究。研究人员对于变截面梁元的稳定矩阵和刚度矩阵进行计算推导，对结构稳定性特征值的问题给出有效的求解方法。疲劳与应力集中船舶在航行的过程中，船体外部会遭受各种随机交变载荷，很容易会使船体结构产生疲劳，会影响船舶的使用寿命。船体不连续构件上的应力集中也会影响船体结构的安全，此外应力集中现象还会导致船体上出现裂纹，这些裂纹延伸至舷侧和甲板等重要结构，严重时甚至会使整艘船体结构发生破坏或断裂。因此，使用有限元方法对船体疲劳强度分析和应力集中影响的研究也是船舶结构分析领域的重要课题REF_Ref17729\r\h[13]。第三章养殖工船全船有限元模型建立3.1MSC.Patran/Nastran计算流程有限元软件Patran建模和Nastran分析的流程如下（如下图7所示）：图7有限元计算流程3.2养殖工船的相关资料养殖工船，主体结构为钢质全焊接结构，由艏部箱体结构、中部桁架结构、艉部箱体结构组成。箱体由骨材和钢板焊接而成，艏和艉箱体结构间通过桁架结构连接,桁架结构由管材拼焊而成。船体主尺度（如下表4所示）、总布置图（如下图8所示）、基本结构图（如下图9所示）及桁架结构图（如下图10所示）表4养殖工船主尺度总长129.00米型宽40.00米型深11.20米设计吃水10.00米养殖水体32000立方米肋距2.00米图8养殖工船总布置图图9基本结构图图10桁架结构图此养殖工船的相关环境条件说明如下表5所示表5养殖工船工作的环境条件低潮最小水深高潮最大水深流速波高周期风速13201.169~15363.3模型的单位制及材料参数长度单位采用，最小单元边长为力的单位采用,应力的单位采用本船浮体部分采用普通钢（Mild）其材料换算系数K分别为1.0，船的桁架采用DH36高强度钢。其材料参数如下所示：弹性模量：；泊松比：=0.3；密度：。本次计算采用Isotropic各向同性材料模型，由于其弹性模量，泊松比和剪切模量之间存在的关系，所以3个量中任意两个是线性无关的即独立的，在输入时，只需输入任意两个即可。3.4模型的建立模型的说明：此养殖工船是按1：200的比例建的有限元模型3.4.1模型的范围参考CCS规范，使用三维有限元模型Patran进行全船建模时，包括艏部箱体结构、中部桁架结构、艉部箱体结构，模型的纵向范围从肋位Fr0到肋位Fr107.5；垂向范围为船体高度。各船体构件采用板或梁单元模拟。有限元模型见下图11所示。图11养殖工船有限元模型3.4.2坐标系坐标系统采用右手笛卡尔坐标系，见图12所示，原点位于船底中线处即肋位Fr0处，在x轴朝着船首方向为正方向，y轴向着左侧船尾浮体为正方向，沿z轴向上为正方向。3.4.3边界条件有两类边界条件说明如下第一类边界如下图12所示图12整船约束示意图进行养殖工船局部结构强度计算时，对模型首部和尾部4点进行约束，约束点建上图所示，详细边界条件见下表6所示：表6边界条件位置线位移约束角位移约束方向x轴正向y轴正向z轴正向绕x轴旋转绕y轴旋转绕z轴旋转独立点1×××独立点2×独立点3×独立点4×注：×表示约束第二类边界如下图13所示作用于船尾最后部分的整个截面上，加的是固定约束，三个方向的线位移和角位移总共六个自由度全固定了。图13船尾固定约束示意图第四章计算工况和载荷4.1评估依据参考中国船级社《钢质海船入级与建造规范2018》REF_Ref17814\r\h[14]、《海上移动平台入级规范2020》REF_Ref17850\r\h[15]和《海上渔业养殖设施检验指南2019》REF_Ref17916\r\h[16]要求，对养殖工船在操作工况状态下进行全船结构强度计算。参考以上CCS规范要求，对船体桁架结构和全船模型的前后浮箱采用直接计算方法进行强度校核，直接计算应符合规范要求，本计算按上述规范进行，采用三维有限元模型进行该船主要构件的强度直接计算，计算载荷计包括及波浪弯矩（由波浪产生的相对于静水状态浮力的增加所导致的）及舷外水压。4.2计算工况参考规范要求，本计算仅考虑端面弯矩和舷外水压的影响，计算工况取操作状态下100%油水对应的实际工况进行计算。具体计算工况如下表7所示：表7计算工况说明工况装载情况吃水（)桁架工作工况舷外静水压力和动水压力+压载水+上层建筑压力+船的重力+吊机的重力+相关弯矩10船首拖航工况舷外静水压力和动水压力+压载水+上层建筑压力+船的重力+船首前端拉力7.5船尾甲板工作工况舷外静水压力和动水压力+压载水+上层建筑压力+船的重力+船尾中间甲板载荷7.54.3舷外水压力舷外水压力（方向是类似于挤压船体外结构作用的）由静水压力（由水深决定）和波浪动水压力（由水质点的运动作用产生且会有加速度）两部分组成，参考CCS相应的规范的要求，得到下列计算舷外水压的公式。基线处：水线处：舷侧顶端处：甲板上的水动压力：上式中：将对应数值带入上述相应公式即可得到下表8所示的水压数值。表8船体不同吃水状态下的水压船体所受水压7.5米吃水10米吃水波浪系数8.5148.514系数6.0357.7基线处水压水线处水压舷顶端水压甲板处水压考虑到工程实际中船的的舷外水压力是以线性分布于船的表面，船最高处舷外水压力最小，最低处舷外水压力最大，具体的船的不同部位水压力数值如上表8所示，由船的总布置图可知船的哪些部位可加入上述的舷外水压，本文采用场的形式加载舷外水压力，Patran中的场是在Fields中建的，考虑到吃水深度与船的型深应根据具体情况加入水压力的场，一般一个场中至少可加入三个不同深度处的水压值。4.4压载水养殖工船舱内压载水产生的压力（船舱内底部压载水方向竖直向下，沿z轴负向，舱内侧面压载水压力是朝外作用的，而舱外水对压载舱的作用是朝着挤压方式的）通过下式确定：式中：为舱内压载水密度，值为1.025为压载水液面距基线的垂直距离，考虑到工程实际中船的压载水压力是以线性分布于压载箱的表面，压载水液面处压载水压力最小为0，压载箱底部压载水压力最大具体数值根据上述公式即可计算得出，根据此养殖工船总布置图可以得知具体压载箱所在位置和压载箱高度即压载水深度，同样压载水压力也是以场的形式加载在模型上的，与舷外水压不同，压载水的场的加载只需加入两个不同深度的水压值。4.5上层建筑压力考虑到工程实际中养殖工船工作甲板甲板会受到上层建筑的力，而模型中未建具体的上层建筑（装载货物，甲板室，船楼等），所以用分布力代替上层建筑，分布力分布于船首上甲板整个平面和船尾上甲板的整个平面，船尾处上层建筑所给总压力为,船首处上层建筑所给总压力为，船首的上层建筑分布力为,船尾的上层建筑分布力为，上层建筑压力方向竖直向下，方向沿z轴负向。4.6船的自重船的重力（方向为竖直向下，沿z轴负向）以惯性载荷代替,值为98004.7拖航工况船首拖曳点拉力为了研究此类养殖工船模型船首结构的强度大小，且考虑到工程实际的需要，选取了拖航状态下船首结构分别在50吨、160吨、170吨等12种不同拉力（方向沿x轴正向）作用下，（对拉力的取值说明如下：50吨的拉力为工程实际中船首结构受到的拉力，所以研究此时船首结构的受力非常有参考价值，而越到后面拉力值间隔约小也是因为此时的应力计算结果很接近许用应力，所以为了找到船首结构所能承受的最大拉力值，取了如下这样的拉力值）对其养殖工船模型进行强度直接计算，得出对应工况下的梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力，与其许用应力进行比较得出船首结构所能承受的最大拉力，为解决工程实际问题提供参考，对12个不同拉力值下的工况进行了强度计算（如下表9所示）表9船首结构不同工况下的拉力值工况序号123456789101112拉力（吨）501601701801902002052102152202212254.8桁架工作工况装载补充4.8.1相关说明为了探究养殖工船模型桁架结构的强度变化，在不同大小和方向的弯矩作用下，对养殖工船模型进行强度计算，得出相应梁的轴向应力，弯曲应力和梁的变形，在比较桁架的许用应力及考虑到加载处的形变，得出桁架结构的最优弯矩，进而得出最优力臂，为解决工程实际问题提供参考。吊机及其引起的弯矩加载的位置选在桁架的强结构处如下图14所示图14桁架载荷加载示意图4.8.2吊机重力吊机施加给桁架的力的方向竖直向下，沿着z轴负向，一般来说，工程实际中的吊机的重力为10吨，但为了进一步的研究桁架能否承受与船宽一样的力臂引起的弯矩值，进而找到养殖工船桁架结构所能承受的最大力臂，但考虑到实际中若力臂很大，调集的重力还取10吨就不现实，所以吊机重力的大小分别取了5吨和10吨进行研究，即4.8.3弯矩两类吊机重力在不同力臂情况下引起的弯矩说明如下，各个吊机重力情况下分别建了12个工况，共24个工况。在吊机重力为10吨时，为了找到最优弯矩大小和方向，选取了力臂分别为10米，15米，20米（一般工程实际中也会如此取力臂的值）引起的弯矩值，弯矩的矢量方向共4个，分别是沿x轴正向，沿x轴负向；沿y轴正向，沿y轴负向。共建12个工况如下表10所示。表10吊机为10吨情况下弯矩大小及方向力臂弯矩x正向弯矩x负向弯矩y正向弯矩y负向109.89.89.89.81514.714.714.714.72019.619.619.619.6在吊机重力为5吨时，为了找到最优弯矩大小和方向，选取了力臂分别为40米，45米，47米（40米正好是船宽的大小，所以研究此力臂值的工况下桁架结构的强度和刚度十分重要，但由于此时的应力结果有些接近其要满足的许用应力，所以接下来的力臂值取得相差不大，为了找到吊机重力为5吨的状态下，桁架结构所能承受的最大力臂，取了几个工况进行了计算，最终找到47米的最大力臂值）引起的弯矩值，弯矩方向共4个，分别是沿x轴正向，沿x轴负向；沿y轴正向，沿y轴负向。共建12个工况如下表11所示。表11吊机为5吨情况下弯矩大小及方向力臂弯矩x正向弯矩x负向弯矩y正向弯矩y负向4019.619.619.619.64522.0522.0522.0522.054723.0323.0323.0323.034.9船尾甲板荷载为了研究养殖工船模型船尾甲板结构的强度，在不同载荷大小的作用下，对养殖工船模型进行直接强度计算，得出相应梁的轴向应力，弯曲应力，板的vonMises应力以及板的形变，与其许用应力进行比较得出船尾结构所能承受的最大荷载，为解决工程实际问题提供参考。作用于甲板上的载荷（方向竖直向下，沿z轴负向）分别取载荷作用于船尾甲板中间的一个单位的4个节点（为什么不作用于一个节点是因为害怕中间甲板结构在一个集中力的作用下破环甚至断裂，且为了保证所施加的力等效作用于船尾甲板中部，载荷不能施加到太多节点上）处，如下图15所示。图15船尾荷载加载示意图4.10许用应力本船浮体采用普通钢（Mild）其材料换算系数K分别为1.0。船的桁架采用DH36高强度钢。考查应力为有限元分析中得到的平面单元（壳或膜）中心的vonMises相当应力。查阅钢规得到船体不同部位的屈服应力和不同应力所需的安全系数，再由计算得到下表12所示的此养殖工船应符合的许用应力。表12船体不同部位的许用应力材料分类屈服应力（MPa）轴向或弯曲（MPa）安全系数1.25剪切应力（MPa）安全系数1.88等效应力（MPa）安全系数1.11浮体235188125211桁架DH36355284189320第五章养殖工船局部结构强度校核5.1拖航状态下船首结构拖曳点的受力分析5.1.1各个工况应力计算结果工况1船首顶端拉力为50吨梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力如下图16所示。图16船首顶端拉力为50吨下的强度计算工况2船首顶端拉力为160吨梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力如下图17所示。图17船首顶端拉力为160吨下的强度计算工况3船首顶端拉力为170吨梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力如下图18所示。图18船首顶端拉力为170吨下的强度计算工况4船首顶端拉力为180吨梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力如下图19所示。图19船首顶端拉力为180吨下的强度计算工况5船首顶端拉力为190吨梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力如下图20所示。图20船首顶端拉力为190吨下的强度计算工况6船首顶端拉力为200吨梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力如下图21所示。图21船首顶端拉力为200吨下的强度计算工况7船首顶端拉力为205吨梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力如下图22所示。图22船首顶端拉力为205吨下的强度计算工况8船首顶端拉力为210吨梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力如下图23所示。图23船首顶端拉力为210吨下的强度计算工况9船首顶端拉力为215吨梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力如下图24所示。图24船首顶端拉力为215吨下的强度计算工况10船首顶端拉力为220吨梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力如下图25所示。图25船首顶端拉力为220吨下的强度计算工况11船首顶端拉力为221吨梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力如下图26所示。图26船首顶端拉力为221吨下的强度计算工况12船首顶端拉力为225吨梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力如下图27所示。图27船首顶端拉力为225吨下的强度计算5.1.2分析与总结12个工况的相关应力计算结果总结如下表13表13船首结构强度计算结果船首顶端拉力梁的轴向最大应力梁的弯曲最大应力轴向或弯曲许用应力板的vonMises最大应力板的许用应力5018.944.31885521116050.812318815521117053.713018816421118056.613718817321119059.514418818321120062.415118819221120563.915518819721121065.315818820121121566.816218820621122068.216518821021122168.516618821121122569.6169188215211首先从上表可知在工程实际状态下，即拖曳点拉力为50吨时，从计算结果中可以看出梁的轴向应力，弯曲应力和板的vonMises应力远小于其要满足的许用应力，船首结构很安全，结构优化的建议是减小船首结构的板厚，型材的尺寸和数量，为结构设计也提供了参考，其次从上表可知在梁的轴向应力，弯曲应力及板的弯曲应力满足其许用应力的前提下，船首顶端所能承受的最大拉力为221吨，由此可知船首结构强度足够大，能满足其相关作业，且在拉力为221吨时，梁的轴向应力远小于其要满足的许用应力，且梁的弯曲应力也小于许用应力，从船的优化方面可考虑减少轴向的肋骨或加强筋的尺寸和数量或增加板的厚度。5.2工作状态下吊机对桁架结构受力的分析5.2.1桁架强度及刚度计算结果吊机重力为10吨的工况工况1弯矩方向沿x正向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图28所示。图28工况1的强度和刚度计算工况2弯矩方向沿x负向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图29所示。图29工况2的强度和刚度计算工况3弯矩方向沿y正向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图30所示。图30工况3的强度和刚度计算工况4弯矩方向沿y负向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图31所示。图31工况4的强度和刚度计算工况5弯矩方向沿x正向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图32所示。图32工况5的强度和刚度计算工况6弯矩方向沿x负向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图33所示。图33工况6的强度和刚度计算工况7弯矩方向沿y正向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图34所示。图34工况7的强度和刚度计算工况8弯矩方向沿y负向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图35所示。图35工况8的强度和刚度计算工况9弯矩方向沿x正向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图36所示。图36工况9的强度和刚度计算工况10弯矩方向沿x负向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图37所示。图37工况10的强度和刚度计算工况11弯矩方向沿y正向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图38所示。图38工况11的强度和刚度计算工况12弯矩方向沿y负向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图39所示。图39工况12的强度和刚度计算吊机重力为5吨的工况工况13弯矩方向沿x正向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图40所示。图40工况13的强度和刚度计算工况14弯矩方向沿x负向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图41所示。图41工况14的强度和刚度计算工况15弯矩方向沿y正向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图42所示。图42工况15的强度和刚度计算工况16弯矩方向沿y负向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图43所示。图43工况16的强度和刚度计算工况17弯矩方向沿x正向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图44所示。图44工况17的强度和刚度计算工况18弯矩方向沿x负向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图45所示。图45工况18的强度和刚度计算工况19弯矩方向沿y正向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图46所示。图46工况19的强度和刚度计算工况20弯矩方向沿y负向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图47所示。图47工况20的强度和刚度计算工况21弯矩方向沿x正向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图48所示。图48工况21的强度和刚度计算工况22弯矩方向沿x负向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图49所示。图49工况22的强度和刚度计算工况23弯矩方向沿y正向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图50所示。图50工况23的强度和刚度计算工况24弯矩方向沿y负向，大小为梁的轴向应力，弯曲应力及梁的变形如下图51所示。图51工况24的强度和刚度计算5.2.2分析与总结24个工况（工况序号1-12为吊机重力为10吨时强度计算结果，工况序号13-24为吊机重力为5吨时的强度计算结果）应力及变形计算结果总结如下表14表14桁架结构强度和刚度计算结果工况序号轴向最大应力弯曲最大应力最大形变轴向或弯曲许用应力114393.62192842139132214284313966.9213284414467.221828451451502222846139189214284714074.1214284814590.72212849147207225284101392452152841114010221628412147118223284131432082182841413724421128415136102209284161431182162841714523622028418138272212284191371162102842014413121828421145248220284221382842122842313712121028424144137218284在吊机重力为10吨的情况下即在工程实际中，首先从上表可以得知在梁的轴向应力，弯曲应力满足其许用应力的前提下，桁架结构所能承受最大弯矩大于，且随着弯矩值的增大，梁的轴向应力值变化不大，梁的弯曲应力变化很大，且不同方向的弯矩所引起的梁的弯曲应力值相差很大。其次易知不同方向弯矩下的梁的轴向应力和弯曲应力小于其要满足的许用应力，养殖工船的桁架结构很安全，此外在弯矩大小一样的前提下，弯矩方向沿x负方向和y正方向引起的梁的轴向应力小于弯矩方向沿x正方向和y负方向引起的梁的轴向应力；同理观察梁的弯曲应力，得出在弯矩大小一样的前提下，弯矩方向沿x负向，x正向，y负向，y正向所引起的梁的弯曲应力从大到小排列，所以从船的安全方面考虑，桁架上的吊机尽可能安排在加载点的左右方向，即尽可能使其引起的弯矩沿y轴正向。从形变方面考虑，由上表可知，弯矩值不同时，变形变化不大，相较而言沿x轴负向和y轴正向的弯矩引起的桁架的变形较小，综上所述，在工程实际中，尽可能使养殖工船桁架上的吊机引起的弯矩沿y轴正向，此时船最安全。5.3工作状态下船尾结构的受力分析5.3.1船尾甲板结构的强度和刚度计算工况1作用于甲板上的力为梁的轴向应力，弯曲应力,板的vonMises应力及其变形如下图52所示。图52工况1船尾甲板的强度和刚度计算工况2作用于甲板上的力为梁的轴向应力，弯曲应力,板的vonMises应力及其变形如下图53所示。图53工况2船尾甲板的强度和刚度计算工况3作用于甲板上的力为梁的轴向应力，弯曲应力,板的vonMises应力及其变形如下图54所示。图54工况3船尾甲板的强度和刚度计算工况4作用于甲板上的力为梁的轴向应力，弯曲应力,板的vonMises应力及其变形如下图55所示。图55工况4船尾甲板的强度和刚度计算5.3.2分析与总结4个工况的应力及变形结果如下表15表15船尾结构强度和刚度计算结果作用于甲板上的力轴向最大应力弯曲最大应力轴向或弯曲许用应力最大形变板的vonMises最大应力板的许用应力50034.81551884542.121155038.317018845.246.321160041.718618845.450.421160842.318818845.551.1211从上表可知随着作用于船尾甲板载荷的增大，梁的弯曲应力远大于梁的轴向应力和板的vonMises应力，且在梁的轴向应力，弯曲应力及vonMises应力满足其许用应力的前提下，可以得知船尾甲板结构所能承受的最大荷载为608，由此可知船尾甲板结构强度足够大，能满足其相关作业，且在荷载为608时，梁的轴向应力及板的vonMises应力远小于其要满足的许用应力，船的优化方面可考虑减少轴向的肋骨或加强筋的尺寸和数量，减小板的厚度及尺寸等，此外从上表还可得知，随着船尾甲板载荷的增大，形变基本不变且数值很小，说明船尾的甲板刚度很大，从结构优化考虑可减小对应船尾甲板的尺寸。5.4本章总结本章主要是对此养殖工船模型的三个部位进行相关强度和刚度的直接计算，三个部位分别为船首结构，中部桁架结构和船尾上甲板结构。考虑到工程实际加了对应的实际载荷，由结果可知三个部位的对应的应力都符合其要满足的许用应力，且为了工程实际和此类养殖工船的结构设计提供参考，进一步研究了三个部位的应力达到许用应力值时养殖工船模型所能承受的最大荷载，结论列举如下：（1）船首结构最大拖曳点拉力为221吨（2）中部桁架结构在吊机重为5吨的前提条件下，桁架所能承受的吊机的力臂为47米（船宽40米）且吊机引起的弯矩方向最好为y轴正向（3）船尾上甲板结构所能承受的最大荷载为608，并且在观察了不同部位不同的应力值得出相应的优化建议，为工程实际提供了参考。第六章总结本文以一艘养殖水体量为32000立方米，总