0 引　言

近年来，鉴于国家对碳减排的重视，聚乙烯材料因具有耐腐蚀、耐撞击、经济且环保的特点，逐渐获得渔业船舶建造领域渔民的青睐^[1]。我国中小型船舶的建造普遍使用四类基础材料：传统木质结构仍应用于船舶建造，坚固的钢材占据主流市场，快艇制造偏好轻质铝合金，而具有耐腐蚀特性的玻璃钢复合材料则多用于特种船舶。从材料特性来看，传统木质船舶船体存在显著局限性：其天然材质导致耐久性不足且结构稳定性欠佳，不仅需要频繁实施维护，还造成森林资源的过度消耗；钢质船舶虽强度较高，但易受高温和海水腐蚀，导致维护费用上升，使用寿命缩短；铝合金船舶因原料价格高及成型工艺复杂等因素，制约了其在中小型船舶领域的规模化应用；玻璃钢船舶综合性能较好，但耐磨性较弱，需采取额外防护措施或在港口配备相应设施^{[2 - 4]}。基于我国“双碳”战略目标导向，当前亟需在中小型船舶建造领域推进材料创新工程，重点研发具有生态友好特性、机械性能优异、耐蚀效能突出且经济性良好的新型船体材料体系，以此实现产业技术升级与可持续发展目标的双重诉求。

当前阶段，随着船舶建造材料的革新迭代，当代中小型船舶在船体选材时需兼顾生态友好与成本效益的双重要求。而HDPE凭借其独特的材料性能优势，正逐步成为小型船舶建造领域的关键材料。与此同时，交通运输部海事局于2021年颁布的《聚乙烯渔船技术与检验暂行规则》^[5]为HDPE船舶的工程应用构建了技术标准体系。近年来，多名学者已在该领域进行多项创新研究并取得重大进展。例如，陈健华等^[6]通过滚塑成型工艺重点探讨了小型船舶的稳性特征与耐波性能；任勇华^[7]则对船体振动特性进行了系统性评估；Cho^[8]参考《Small craft - Hull construction and scantlings》(ISO 12215-5: 2008)基于ISO 12215-5国际标准构建了不同板厚HDPE船体的结构强度计算模型。张斌^[9]结合材料力学试验与有限元仿真技术，实现了对HDPE船艇疲劳损伤机理的定量化研究。

然而，目前建造的高密度聚乙烯船舶多数为小型船舶，中型船舶较少且多作为养殖作业，而具有较大受力结构的捕捞渔船几乎未见报道。综上所述，本文以16.0 m HDPE张网渔船为研究对象，首次对钢塑复合形式的HDPE船舶进行结构强度分析，旨在通过有限元方法验证HDPE张网渔船的总纵强度和局部强度是否满足规范要求，为具有较大受力结构的HDPE船舶的安全性提供理论支撑，并为未来类似船舶的设计与建造提供一定的参考依据。

1 聚乙烯船舶技术规范总纵强度要求

在船舶结构力学评估体系中，船体抵抗纵向弯曲力矩与剪应力联合作用的结构完整性被称为总纵强度，该参数直接决定船舶航行安全等级。根据IMO船舶材料登记系统，采用HDPE建造的作业船舶最大现存案例为土耳其制造的MR-185型搜救艇，其总长18.5 m。然而，在土耳其船级社（TL）发布的《Tentative Rules For Polyethylene Crafts》（2014）^[10]中，并未对聚乙烯船舶的总纵强度校验做出明确规定。此外，挪威的一些小型船舶也采用了聚乙烯材料建造，挪威船级社（DNV）的《Craft》(DNVGL-ST-0342)^[11]规范中规定了纵向强度、船体底部、船体舷侧、甲板和上层建筑的设计载荷，要求提供强度计算文件；国内《聚乙烯渔船技术与检验暂行规则》(2021)中规定对于船长大于或等于12 m的聚乙烯渔船，应校核渔船的总纵强度，计算总纵强度时的最大许用应力$[\sigma ] = 0.67{[\sigma ]_{sw}}$，其中${[\sigma ]_{sw}}$指的是材料的屈服应力。相关规范对总纵强度的要求对比如表1所示。

2 有限元法计算 2.1 模型建立

本文所述HDPE船舶为张网渔船，主要作业范围处于丹东市鸭绿江与海洋交界处，捕捞鱼层为上层，该船主体材料为HDPE，内部骨架采用Q235钢。其结构设计满足《聚乙烯渔船技术与检验暂行规则》（2021），基于船舶的型线、构件尺寸设计、板材厚度及开口布局，构建三维立体模型，将模型导入Ansys进行数值仿真。模型主体区域采用8节点线性六面体单元（HEX8）进行网格划分；在几何形状突变区域，通过10节点二次四面体单元（TET10）实现网格过渡与局部加密。单元尺寸控制为50 mm，特别加强网杆与钢骨架连接区域的网格密度，局部加密至10 mm，确保接触应力捕捉精度。表2列出了有限元模型的相关材料定义。构建的坐标系中，x轴的正向定义为从船艉指向船艏，y轴对应船舶的宽度方向，而z轴则用于表示船舶的型深方向。由于该船在进行作业时需保证船艏正对潮流，且保证相对静止，故其艏部船锚较大；船中两侧各设有网杆一只，该船三维模型如图1所示。船舶基本参数见表3。

2.2 边界条件约束

在船体强度计算中，通过船首A点（x/y/z全约束）、船尾B点（y/z位移约束）和船尾C点（仅y方向约束）三点空间分布的差异化限制（位置参见图2），有效平衡了船体模型的六个刚体自由度。

2.3 计算工况

在船舶强度分析中，由于中垂和中拱工况弯矩方向相反但数值相同，仅使用中垂工况分析了全船应力分布即可。此外，参考规范^[12]的相关规定，对船底外板、舷侧外板以及甲板在规范载荷下的应力响应进行了局部强度评估。

1）中垂弯矩

$ {M_B} = {C_1}{C_2}{C_3}(1 + n)({l_x} - 0.175\frac{\Delta }{{{B_s}d}}(1 + 0.2n)\Delta g。$

(1)

式中：${C_1}$为中垂弯矩特征系数，取${C_1} = –1$；${C_2}$为压力梯度修正因子，取${C_2} = 0.5$；${C_3}$为标准动力系数，取${C_3} = 1.0$；${l_x}$表示船体前半部分与后半部分中心点之间纵向距离的一半，参考规范^[13]取近似值${l_x} = 0.25L$；波浪冲击特征量${B_S}$为艏向波峰触底瞬态工况下的等效承压宽度，其量值通过求解方程得出；$n$为过载系数，文中$n = {a_{cg}}/g$。

$ {{a_{cg}} = \dfrac{1}{{426}}{\left( {\dfrac{{{V_H}}}{{\sqrt L }}} \right)^{1.4}} \left( {\dfrac{{{H_i}}}{{{B_{WL}}}} + 0.07} \right) \left( {50 - \beta } \right)\left( {\dfrac{1}{{{B_{WL}}}} - 2} \right) \dfrac{{B_{WL}^2}}{\Delta }g。} $

(2)

式中：${V_H}$为船在有义波高的波浪中航行的速度；${H_i}$为有义波高；${B_{WL}}$为水线宽，是指船舶浮于水面时，沿装载线量的最大型宽；$\beta $指船体重心处横剖面的船底斜升角。

在船舶整体结构强度的计算过程中，本文采用了一种等效载荷方法，将中垂弯矩转换为沿船长方向均匀分布的线性载荷$q(x)$，并将其简化为作用在船体强构件上的集中力^[14]。通过上述方法，最终得到了船舶的整体结构应力分布云图及变形云图，如图3和图4所示。

$ {{q}}(x) = \frac{{2{{\text{π}} ^2}{M_B}}}{{{L^2}}}{\text{cos}}\left(\frac{{2{\text{π}} x}}{L}\right)。$

(3)

式中：$q\left( x \right)$为沿着船长分布的均匀线载荷；$L$为船长；$x$为计算点距艉垂线的距离。

2）局部结构载荷

$ {P_{{\text{sl}}}} = 1.16{k_{l1}}{\left(\frac{\Delta }{A}\right)^{0.3}}{a_{cg}}d，$

(4)

$ {P_s} = 9.81h + 0.15{P_{sl}}，$

(5)

$ {P_{\text{d}}} = 0.25L + 4.6。$

(6)

式中：${K_{l1}}$为压力分布系数，其沿船长方向呈现分段特征，船中前取基准值1.0，艉部端点取0.5，艉部与船中过渡区域采用比例系数渐变原则；$A$为受力面积，本文取38.75 m²；$d$表示船舶的吃水,本文取0.54 m，$\Delta $为全船排水体积，本文取21.8 m³；$h$为定义舷侧结构垂向落差参数，即顶板与底端间的高程差，本文取1.3 m；${P_{sl}}$、${P_S}$、分别为船底、舷侧波浪冲击载荷；${P_d}$为甲板载荷。经计算得出P_sl=6.17 kN/m²，P_s=13.68 kN/m²，P_d=7.89 kN/m²。本文就环境载荷处理方面，将船底、舷侧波浪冲击载荷及甲板载荷分量离散化处理：基于有限元模型几何特征建立各结构区的网格载荷分布，重点通过面力传递机理实现舭部—舷侧—上甲板的空间力系重构，最终基于局部变形判据完成结构承载效能验证。船底应力应变分布云图如图5、图6所示；舷侧应力应变云图如图7、图8所示；甲板应力应变云图如图9、图10所示。

2.4 结果分析

在《聚乙烯渔船技术与检验暂行规则》(2021)^[5]中明确规定，高密度聚乙烯的拉伸屈服应力应不小于17.0 MPa，在进行总纵强度校核时要求安全系数为1.5，按照规则要求，当高密度聚乙烯拉伸屈服应力取17.0 MPa时，许用应力为11.4 MPa。本船使用的高密度聚乙烯渔船船体板材经测试后的拉伸屈服应力为28.0 MPa，即实际许用应力为18.8 MPa。

通过对HDPE张网渔船在规范载荷作用下的局部和整体结构强度进行计算，得到的应力分布结果如表4所示。可知，该船整体和局部结构的应力值均未超过材料的许用应力限值，表明其结构强度满足规范要求。

3 网具结构强度分析 3.1 结构分析

在船舶网具系统的结构强度评估中，对连接节点的力学特性分析具有关键作用。特别需要关注网具支撑杆件与船体钢制框架之间的界面衔接区域，这类结构节点常因应力传递路径突变产生局部高应力现象。本船配置的双侧对称式网架结构中，单侧承重单元包含长度为9.2 m的HDPE吊杆构件，单位长度质量21.8 kg/m，其工作状态受到自质量与作业载荷复合作用。在有限元建模过程中采用分布载荷加载方式，将重力加速度按正交分解法施加于杆件轴线方向，并通过附加动载系数等效模拟海浪冲击产生的惯性负荷。

根据规范^[11]，惯性负荷可用下式进行计算：

$ {F_{dynamic}} = ({C_{impact}} \cdot m) \cdot ({a_{cg}} + g \cdot \sin \theta )。$

(7)

式中：${C_{impact}}$为附加动载荷系数，依据规范要求对于捕捞设备取1.5；m为网杆质量，本文为200.56 kg；$ a_{c g} $为垂向加速度，取值11.72 m/s²；$ \theta $依据规范取值${\text{1}}{{\text{5}}^ \circ }$。根据公式计算${F_{dynamic}} = 4.3{\text{ kN}}$。

综上分析，在进行吊杆结构强度分析时，需将吊杆与钢骨架作为一个整体进行受力分析，吊杆作为主要施加作用力构件，其受到水流对网衣的冲击力，本身的重力，缆绳的拉力以及渔获物的重力，具体受力情况如图11所示，将作用力投影在oxz平面，如图12所示。

图12中，以吊杆中心o点为坐标原点，水流的反方向为x轴正方向，吊杆方向为y轴正方向，垂直向上为z轴正方向。$ T $为连接吊杆与系泊柱绳索的张力；$ c $为其下端与平面oxy的夹角；$ P $为吊杆的浮力；$ Q $为网衣对吊杆的合力；网衣与水平面oxy的夹角为$ a $；$ F $为缆绳对吊杆的合力，其与水平面oxy的夹角为$ b $；$ D $为吊杆所受到的水流冲击力；$ G+{G}_{1} $为吊杆本身和渔获物的重力。

在ox和oz轴方向吊杆受力的平衡方程为：

$ \left\{ {\begin{aligned} &{T\cos c - F\cos b - Q\cos a = 0}，\\ &{P + F\sin b + T\sin c - Q\sin a - G - {G_1}}= 0 ，\end{aligned}} \right. $

(8)

解得：

$ {\left\{ {\begin{aligned} & {F = \frac{{\left( { - T\sin \left( {c - a} \right)} \right) - \left( {P - G - {G_1}} \right)\cos a}}{{\sin \left( {a + b} \right)}}}，\\ & {Q = \frac{{T\left[ {\cos c\sin \left( {a + b} \right) + \sin \left( {c - a} \right)\cos b} \right] + \left( {P - G - {G_1}} \right)\cos a\cos b}}{{\cos a\sin \left( {a + b} \right)}}} 。\end{aligned}} \right.} $

(9)

3.2 许用应力

在网具结构强度的校核中，本文采用第四强度理论作为评估依据，即以Von-Mises应力作为等效应力的衡量指标，确保结构各位置的等效应力均小于材料的许用应力，满足设计要求。根据规范^[15]的相关规定，许用应力$ \left[\sigma \right] $的计算公式如下：

$ \left[ \sigma \right] = {\sigma _s}/\beta n。$

(10)

式中：$ {\sigma }_{s} $为材料屈服强度；$ n $为安全系数。规范针对不同工况和材料特性，规定了相应的安全系数取值，以充分保证结构的安全性。在实际工程设计中，需结合具体工作环境、载荷类型以及材料性能，合理选取安全系数，并确保应力$ {\sigma }_{vm}\leqslant \left[\sigma \right] $的条件，安全系数的取值按照表5进行选取。钢材的屈服比，按照表6进行选取。

根据本文HDPE张网渔船作业环境，安全系数$ {n} $应取1.33。本船钢塑复合结构钢骨架所用Q235结构钢屈服强度极限为235 MPa，抗拉强度$ {\mathrm{\sigma }}_{{b}} $取375 MPa，所以$ {{\sigma }}_{{s}}/{{\sigma }}_{{b}}=0.627 < 0.7 $，因此$ \beta $取值1.0，则$ \left[\mathrm{\sigma }\right] $=176 MPa。

3.3 强度分析

本船采用的钢塑复合结构具有材料协同效应特征，有限元强度分析时须重点考察网杆插接座与船体骨架的焊接环缝区域。鉴于船体结构的镜像对称特性，数值模拟时选取右舷网架系统作为分析对象，通过边界条件设置实现计算域的简化，同时反映出真实受力情况。图13为进行有限元计算的模型图，该模型除骨架及网具外其余部位均为HDPE材料，为保障强度分析的准确性，本文在进行数值模拟时设置网杆结构处于最大受力状态，即大潮，满渔获状态，此时最大渔获量为1 t，图14为该状态下的网具结构应力云图。

应力分析结果表明，网具结构在实际作业工况下其应力峰值集中在纵向加强筋与网杆之间，该区域为Q235钢材，此时钢结构部分承受的最大应力为124.82 MPa，相较于Q235钢材176 MPa的许用应力值具有足够的安全裕度；与应力集中部位的槽钢相接触的甲板面及HDPE连接件在该区域未出现明显的应力集中现象，其最大应力值仅为9.6 MPa，低于材料的许用应力标准。通过上述分析可以确认，吊杆系统的结构强度完全符合相关规范的技术要求，这一结果充分验证了钢塑复合结构设计方案在力学性能方面的合理性。

4 结　语

采用有限元分析技术，本文对HDPE钢塑复合船舶结构强度进行了系统评估。通过对船体结构性能的全面分析，表明采用钢塑复合形式的HDPE张网渔船结构强度满足规范要求，采用钢塑复合形式能够保证HDPE船舶的结构强度，尤其在具有较大受力结构时，钢塑复合形式能够大大保证结构强度，具有一定的实际应用价值。

同时，高密度聚乙烯材料因具备的耐腐蚀、耐撞击、绿色无污染等特性，在实际船舶建造中具有较大的优势。但由于其材料本身特性拉伸强度较低，常用作建造小型船舶，在今后HDPE船舶尤其是具有捕捞设备的渔船时可考虑钢塑复合形式以提高HDPE渔船的强度，避免因结构强度不足导致船体变形，威胁到渔民的生命财产安全。

基于本研究结果，建议未来具有较大受力结构的HDPE船舶设计采用钢塑复合结构的梯度过渡设计，在连接区域设置加强筋以降低应力集中；安全评估应建立双材料失效判据，控制HDPE局部应变不超过4%，钢结构应力不超过屈服强度的85%；同时建议开展材料蠕变特性和界面耐久性的长期跟踪研究。