深海平臺組塊運輸船結構及其可靠性研究

余 楊，曾曉輝

（中國科學院力學研究所，北京100190）

深海平臺組塊運輸船結構及其可靠性研究

余 楊，曾曉輝

（中國科學院力學研究所，北京100190）

根據我國海洋油氣開發的需要，研究出一種可用于深海的大型構件、平臺組塊運輸的新型甲板運輸船。文中著重對其總縱強度和橫向強度進行深入分析，優化出可滿足任何海域的結構形式，并在此基礎上進行可靠性的研究。

甲板運輸船；可靠性；結構設計；總縱強度

1 課題來源與研究現狀

本課題來源于實際工程，研究所依據的母船型為“海洋石油226”甲板運輸船，其主要用于運送特大件或重大件。能源現在逐漸成為了世界各國的立國之本，特別是隨著近年來對海洋開發力度的不斷加大，致使其相關船業發展必須跟得上節奏。工程設備甚至工程組塊先在低勞動力成本地區建造，再運輸到項目地組裝的建造模式被越來越多的國家和企業所接受。海洋工程類的重大構件以及特種雜貨運力2010年總體呈平緩增長的狀況。在這種條件下，以甲板駁船為藍本的運送海洋工程平臺等重大構件的甲板運輸船備受青眜。因其對甲板強度要求極高，船寬過大導致總縱強度計算復雜，因而在設計上存在一定的難點。

2 總解決思路與設計方案研究

船的主尺度為：總長205.2 m，計算船長197 m，船寬45 m，型深10 m，設計吃水7 m，結構吃水9 m，方形系數為0.873。

設計船因其用途，應該具有較大的船寬，較富裕的干舷以便使其靜穩性曲線的穩距值更大、穩性消失角更大，以獲得很好的穩性。同時又因為所載貨物具有重量大、重心高、體積大、受風面積大的特點，故穩性也成為運輸船能否實施的控制因素；因其作業的環境，故船長需滿足一定要求，以便該船能夠具有較好的耐波性。

因載貨形狀的不規則和重量的不平均，該船載貨甲板的單位面積設計載荷達到了16 t/m2，應當指出甲板的強度，特別是甲板邊板的局部強度需要特別注意。當重大件貨物裝載于駁船上運輸時，船體結構不僅要承受其重量，而且因為綁扎加固使得貨物不至于由于駁船的搖晃而移位或傾斜，加固強度問題也需要考慮。

與傳統的貨物運輸不同，用于重大件運輸的甲板駁是一種不同于一般貨船的特殊船舶。該類駁船具有很大的開放式甲板，適宜于裝載重大件貨物。也正因為如此對該類運輸駁船的結構強度有特殊的要求。利用駁船運輸重大件貨物，駁船總縱強度是能夠調整的，可以利用適當配載和壓載很容易滿足，而駁船船體局部強度則是必需滿足規范要求無法通過其他方法調整，只能在構件選取時將問題考慮全面。

船東要求本船的型深需保持在11 m，但由于本船垂線間長已經達到197 m，因貨物寬度以及穩性要求，船寬也達到了45m；因此其慣性矩以及剖面模數如要滿足規范要求，則需要在構件選取上反復嘗試。特別是某些構件的穩定性問題也需要引起我們一定的重視，結構穩定性問題自從提出來以后一直受到學者們的高度重視，并取得了豐富的研究成果。但是，在工程實踐中，對這一問題往往沒有引起足夠的重視，致使結構出現破壞時都歸咎為強度不足所致。而且，結構構件的失穩具有突然性和隱蔽性，但其引發的對構件的影響更具破壞力。因此在選取構件時部分尺寸較大，高度或腹板高度較大，局部構造發生變化的，需要將穩定性考慮其中。

作為一艘排水量超過50 000 t的甲板運輸船，某一個構件的選取都對耗材有不小的影響。原料上更要精打細算，因此在進行結構計算時，對于外板，桁材，骨材的選擇中，無論是型狀，還是尺寸都應反復比較，力求使用最優方案。

3 結構設計研究

在對于主尺度較大的甲板運輸船進行設計時，有以下幾點需要格外注意：

（1）設計樣船的長度達到 205.2 m，寬度 45 m，型深11 m，可以看為是一個扁長體。想要保證其總縱強度能夠符合規范的要求，全船甲板骨架就最好能保證較好的連續性。同時計算船舶滿載出港狀態時，因船腫大件貨物重量很大，因此更需要構件保持連續性。

（2）設計樣船載貨區域的設計單位載荷達到了20 t/m2。這需要有盡量多的構件來分擔甲板所傳遞的力，以使得各構件的彎曲都在一個較合理的范圍之內。縱骨架式結構的受力、傳力參與的構件更多，更利于用于高荷載的甲板使用。

（3）設計樣船的寬度45 m，型深11 m，b/d的值很大，因此本船強度要求的船腫橫剖面模數及剛度要求的船腫橫剖面慣性矩如要滿足規范，那么全船就必須有足夠多的縱向構件。船艏部分，船體輪廓線收的比較厲害，延船長方向的寬度變化很快，在這里縱向構件的連續性就難以保證，而橫骨架式恰恰能夠給予其橫向構件的連續性。

（4）僅雙層底艙全部進行壓載，故發電機和主機都在船尾因此船尾機艙的重量較大，所以通常會發生尾傾，為了減少尾傾，船艏部需要使用雙層底并且加大艏部雙層底的高度。同時船首重量橫骨架式略大于縱骨架式，提高了船艏重量，避免尾傾。

4 可靠性分析方法[2]

結構系統安全裕度及失效衡準的生成，對桿元兩端依次進行編號，這時剛域外側的彈塑性桿元端（桿元編號為t）的安全裕度

根據剛架結構系統失效的定義，只有當結構系統形成一定的塑性鉸組合，使結構成為機構，系統才會失效。考慮剛域影響的桿元剛度方程：

在對所有桿元都計算了修正剛度矩陣以及等效節點力之后，便可組成新的整體剛度矩陣：

于是考慮了剛域影響的總體剛度方程為：

由(3)可得對應于總體坐標系的總體位移向量；

由式(6)可得桿元i對應于總體坐標系的節點位移向量

式中：（Kt（p）-1）是由矩陣（dt）D中抽出的對應于向量各行組成的矩陣。

若（δt）D與（dt）D的關系通過坐標轉換矩陣 Tt表示成（δt）D=Tt（dt）D，且把式(7)代入式(2)，則桿元 t的節點力向量為：

當桿元端r1，r2，……rp-1失效后，沒有失效的殘存桿元端i（桿元編號為t）的安全裕度方程為：

式中：αirk（p）為殘留強度影響系數；bij為載荷影響系數；Lj為外載荷。

關于引起結構系統失效的塑性破壞是否產生，分析方法為，當桿元端 r1，r2，……rp-1已失效，修正總體剛度矩陣 KD（p）或節點位移向量dD（Pq）滿足下述條件，則認為產生塑性破壞：

式中：||·||為歐幾里德范數；ε1，ε2為判斷破壞的常數。

關于系統的失效概率，可采用Ditlevsen方法并輔以被舍棄路徑對上界的貢獻量進行計算。

根據以上方法，由此計算本船的橫框架結構系統的可靠性指標為5.37，滿足無限海域的可靠度要求。因此本船具有較高的可靠度。

5 算列

設計船空載到港狀態：如圖1～圖3所示。（典型）

圖1 載荷分布

但τ＞＞[τ]=110/K，剪切應力力分布不符合要求。

根據文獻[2]方法，由此計算本船的橫框架結構系統的可靠指標為5.37.船舶總縱強度可靠指標為5.49。

圖2 剪力值

圖3 彎矩值

6 結論

本設計船型的橫向強度可靠性指標滿足要求。在總縱強度的校核中發現沿船長方向局部的剪切力過大，修改方案通常為重新對壓載水艙進行壓載。在保證全船略微尾傾，船艏的球鼻艏不冒出水面的前提下，將個別壓載較集中的邊壓載水艙、壓載水艙中的水荷載調動到船尾部水艙一部分、船艏部水艙一部分以便減少某一位置上重量分布的突變，減小全船的最大剪切應力。同時，調整縱向構件的尺寸，在滿足最小剖面模數和最小慣性矩的前提下，減小靜矩。

通過對問題的進一步分析，發現解決局部剪切應力過大的根本方法是對于艏部和尾部的型線進行進一步的修改。因為實船比母型船寬很多，為了保證航速，艏部型線收的很厲害。雖然這減少了船艏部的阻力，但也減少了船艏部的浸水面積，影響到了浮力的均勻分布。同時對首尾吃水高度進行重新計算，提高準確度。

[1]吳仁元.船舶結構[M].北京：國防工業出版社，1986.

[2]余建星.船舶與海洋結構物可靠性原理[M].天津：天津大學出版社,2001.

[3]船舶結構理論與計算[M].北京：國防工業出版社，1986.

[4]陳雪深.船舶原理與結構[M].上海：上海交通大學出版社，1996.

[5]楊代勝.船體強度與結構設計[M].北京：國防工業出版社.1981.

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[8]鄭學祥.船舶及海洋工程結構的斷裂與疲勞分析[M].北京 海洋出版社1988.

Study on Structure and Reliability of Ocean Platform Component Carrier

YU Yang,ZENG Xiao-hui
（Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China）

According to the needs of our ocean gas and oil exploitation,a new deck and hold supply carrier is researched,which is suitable for transiting heavy structural member and platform chunking.The longitudinal strength and transversal strength is analyzed mainly.The structural form to satisfy any maritime space and the reliability are studied at last.

deck and hold supply carrier;reliability;structural design;longitudinal strength

P751

A

1003-2029（2011）02-0032-03

2011-02-18

國家自然科學基金資助項目（10702246,10702073）；國家高科技重大專項資助項目（2008ZX05026-005）；上海交通大學海洋工程國家重點實驗室研究基金項目；國家高科技研究發展計劃（863計劃）資助項目（2008AA09Z307）