雙體式開發平臺方案研究

趙夕濱，楊 玥，何 迪，周 佳

（1. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2. 中船第九設計研究院，上海 200063）

0 引 言

隨著國家對海洋資源開發日益重視，在國家“十二五”海洋科學和技術發展規劃綱要中明確“開發海洋及海岸工程技術”作為重點任務之一。近年來，我國科技界、造船界在海洋工作平臺方面進行了大量的研究工作，為海洋開發建設提出了多種施工保障方案，但都存在制造成本高、開發周期較長等問題，未能達到投產階段。應對上述需求，提出了在2條已有貨船上加裝連接橋的改裝方案，建成具備施工保障功能的海洋浮式結構——雙體式平臺。該方案具備可行性，同時具有制造周期短、成本低、對環境影響小等優點。

1 雙體式平臺結構改造方案

平臺由2艘散貨船改造而成，平臺結構形式可以看作2個縱骨架結構的獨立船體與連接橋結構組合而成（見圖1）。

雙體式平臺的縱搖、垂蕩、縱向加速度除了在斜浪方向時，由于連接橋的存在，2個船體間有相互影響外，與原散貨船基本相差不大；但是由于雙體式平臺橫穩性比原散貨船高許多，導致其橫搖以及橫向加速度與原散貨船的性能差異較大。

連接橋顯然是平臺主體的重要組成部分，但除非在較為極端的海況條件下，會遭受抨擊和上浪，一般不直接受靜水和波浪的水壓力作用，除自身的結構及設備重量外，受到的載荷主要由左右側體在靜水和波浪中水壓力的分布和差異造成。當2個側體分別受到的波動壓力與當時的運動狀態下的自身重量、慣性力不能平衡時，就會相對于原來的平衡位置發生偏移或轉動，導致連接橋會間接承受一定的波浪載荷，從而產生了剪力、彎矩以及扭矩[1]。

因此，從理論分析著手，為保證連接橋與兩側船體間載荷的更好傳遞，并考慮到改造的經濟性以及連接橋的載荷分布情況，僅將原散貨船的艏艉4道艙壁與連接橋橫骨架對應，并全部更換，中間3道艙壁與連接橋橫艙壁錯開，僅做局部加強（見圖2）[2,3]。

圖1 雙體式開發平臺橫剖面

圖2 連接橋設計

2 運動響應數值分析

基于三維線性繞輻射勢流理論[4]進行運動性能和載荷預報，使用JONSWAP波浪譜，根據運動和載荷響應的傳遞函數和作業區域波浪統計數據進行長期預報，從而得出平臺的運動性能和波浪載荷預報值。并對該平臺進行頻域下的運動響應數值分析，利用DNV-GL船級社的SESAM-GENIE軟件，建立三維水動力模型，包括濕表面模型和質量模型（見圖3、4）。

圖3 三維濕表面模型

圖4 作業工況質量模型

采用DNV-GL船級社的SESAM-WADAM軟件，求出橫搖、縱搖、垂蕩以及甲板以上某處的橫向和縱向加速度在每個浪向和周期的響應傳遞函數（RAO）（見圖5～7）。其中縱搖RAO在6s左右還有一個較大的峰值，與普通船型有差異，這是由于雙體造成的影響。

獲得各項運動性能的RAO后，進行長期極值預報。參照英國海事技術公司（BMT）的《全球波浪統計》中該作業海域的波浪散布圖[5]。計算時船首為NE向時，選取JONSWAP譜作為波浪譜。選取一年一遇的波浪載荷幅值作為作業工況波浪力的長期極值（見表1）。除橫搖不滿足作業時要求的＜4°之外，其他運動性能均滿足設計要求。

圖5 橫搖RAO

圖6 縱搖RAO

圖7 升沉RAO

表1 平臺運動性能長期預報

3 作業窗口分析

由于該平臺是由兩條散貨船改裝，具有施工周期短、成本低優點的同時，也存在犧牲橫搖運動性能的問題。通過運動響應分析，發現該平臺的橫搖固有周期與作業所處海域的波浪周期存在一定的耦合，這是由于該平臺的水線面積較大，橫穩心高度較高造成。但是該平臺設備作業對橫搖角度要求，僅為4°，所以針對橫搖的運動性能，進行允許作業的窗口時間分析，以確定可作業環境條件區間，并評估該平臺的作業性能。

按照作業海域全年波浪散布圖中每個波高、周期、浪向組合的波浪針對橫搖進行短期預報。選取JONSWAP譜作為波浪譜。得到各個波高、周期、浪向組合的平臺橫搖運動的短期預報值。如果在一個波高、周期組合的環境條件下所有浪向的橫搖預報值都不超過4°，即視為滿足作業條件，見表2中陰影部分，都滿足作業要求，概率為93.8%。根據每個季節的不同海況，同樣可得出各季節平臺的作業窗口（見圖8）。

表2 作業窗口

圖8 各季節作業窗口

4 總強度分析

4.1 設計載荷分析及設計波確定

根據該雙體式平臺的受力及變形模式，并參照相關規范的要求，確定5個設計載荷作為控制載荷，基于譜分析原理，確定設計載荷對應的設計波。該平臺的設計載荷分別為：橫向分離力、扭矩、縱向剪切力、垂向波浪彎矩和橫向分離矩[6,7]。通過剖面積分得到各設計載荷在每個浪向和周期下的RAO，以橫向分離力和扭矩為例（見圖9、10）。

圖9 橫向分離力RAO

圖10 扭矩RAO

在獲得各項載荷的RAO后，對平臺生存工況下的設計載荷進行長期預報，求出100a一遇的各設計載荷值，并確定各設計波參數（見表3）。

表3 平臺生存工況下設計波參數

4.2 總強度校核及結構關鍵區域加強

總強度評估時，先在HYDROD中用已經確定的設計波進行水動壓力計算，然后將波浪載荷及慣性力傳遞至結構模型（見圖11），用SESTRA模塊進行結構應力計算[8]。根據計算結果，對結構設計中的關鍵區域提出了加強修改方案并再次進行分析驗證。

通過有限元直接強度分析，發現在原散貨船橫艙壁與連接橋橫艙壁連接區域、散貨船靠近連接橋甲板區域等關鍵區域，都存在較大應力集中，因此對該類型區域進行加強。加強后平臺主要支撐構件的應力基本均小于許用值315MPa（見表4）。橫艙壁上少數應力集中區域的相當應力值大于315MPa，采用局部增加板厚或提高鋼級來解決。圖12為加強后最大橫向分離矩下橫艙壁的應力分布。

圖11 全船有限元模型

圖12 加強后最大橫向分離矩下橫艙壁應力分布

由有限元分析可知，連接橋橫向結構和原散貨橫艙壁上的壓應力以及剪應力都較大，因此，根據ABS的屈曲校核規范，對這些區域進行屈曲強度校核。其中，最大橫向扭轉彎矩下的FR184橫艙壁的屈曲UC值最大，為0.763，留有一定的設計余量（見表5）。

原散貨船空船重量2條合計22000t，原船結構拆除約2100t，改造所用鋼料重量約3300t，合計增重約1200t。由此可見，平臺的改造工作量較小，具有良好的經濟性。

表4 加強后的相當應力結果 單位：MPa

表5 加強后FR184橫艙壁的屈曲強度校核結果

5 結 語

1) 在確定雙體式平臺的改裝方案時，必須考慮平臺運動性能的表現。當平臺在目標海域的運動性能不能滿足要求時，可通過作業窗口預報來評估方案的可行性和經濟性；

2) 平臺的氣隙以及運動和載荷預報時所用的阻尼系數需通過相關模型試驗來驗證；

3) 對于雙體式平臺，連接橋和兩個側體內傳遞橫向載荷的相關構件會承受較大的波浪載荷，進行結構設計時可通過總強度分析來校核和優化相關的結構形式和構件尺寸。

[1] 黃曉瓊，陳 立，楊雄輝，等. 三體船連接橋結構波浪載荷研究[J]. 中國艦船研究, 2009, (4)： 42-46.

[2] 張洪達. 712客位三體客貨運輸船總體設計[J]. 船舶與海洋工程，2013, (2)： 23-27.

[3] 王顯正，劉見華. 三體船總振動簡化預報研究[J]. 船舶與海洋工程，2014, (2)： 9-11.

[4] Faltinsen O. M. Sea Loads on Ships and Offshore Structure [M]. Cambridge University Press, United Kingdom. 1990.

[5] 英國海事技術公司（BMT）. 全球波浪統計[M]. 1986.

[6] ABS, MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS, 2012.

[7] 中國船級社. 海上高速船入級與建造規范[S]. 2012.

[8] 程維杰，張海彬. U型半潛式起重鋪管平臺的總強度分析[J]. 船舶，2009, (6)： 33-37.