半潛船沉浮作業工況動載荷研究

常永全，張潤華

(中國船級社 上海分社，上海 201306)

半潛船沉浮作業工況動載荷研究

常永全，張潤華

(中國船級社 上海分社，上海 201306)

基于三位勢流理論，根據《國內航行海船法定檢驗技術規則2011》中有關半潛船沉浮作業工況外界環境條件要求，應用2012年《鋼質海船入級規范》及2014年修改通報要求的波浪載荷直接計算方法，對半潛船沉浮作業過程的波浪動載荷，以及波浪誘導加速度導致的甲板貨物動載荷進行計算，為半潛船沉浮作業工況的結構設計提供較為準確的外載荷依據，并為規范的修訂提供技術支撐。

半潛船；波浪載荷；設計波

半潛船是一種裝載和運輸大型海上裝備的特種工程船舶[1]。為獲得更加寬敞的作業甲板，布置方面采用短艏樓、方型船艉、設置艉部可拆式浮箱等方式[2]；船型尺度方面，半潛船船寬與船長、型深、吃水的比值明顯大于常規運輸船[3]。目前只有中國船級社和挪威船級社給出了針對半潛船的規范。文中以《國內航行海船法定檢驗技術規則2011》[4](《國際海船法定檢驗技術規則》引用該法規)(下面簡稱《法規》)中半潛船沉浮作業外部環境條件要求和中國船級社《鋼質海船入級規范》[5](下面簡稱《規范》)波浪載荷直接計算的規定為依據，采用挪威船級社開發的SESAM軟件建立船體的三維濕表面積模型和質量模型，按照三維繞輻射勢流理論，計算作用在船體上的流體動力，獲得波浪誘導的船體剖面彎矩載荷傳遞函數。通過《規范》要求的短期預報方式獲得等效設計波，計算設計波下船舶遭受的波浪動載荷以及誘導的運動響應，對比規范經驗公式中波浪動載荷，計算半潛船貨物的動載荷極值，用以說明《規范》應該考慮《法規》規定的沉浮作業工況下的波浪動載荷，作為外載荷的一部分加入有限元計算中。

1 設計波應用

1.1 設計波法及波浪載荷短期預報

船舶處于隨機海浪作用下，波浪載荷具有隨機性和復雜動力性，難以精確計算。目前普遍采取的方法是等效設計出在一定概率水平下的規則波施加在船舶上，進而計算運動和應力響應，這就是所謂的設計波。

考慮半潛船沉浮作業工況海況條件相對確定，沉浮作業時間為幾小時內，只經歷某幾種海況，海況條件可以作確定性預報，如采用長期預報方式卻不能得到對應具體海況的確切反應，因此認為采用短期預報設計波用于計算波浪載荷更能反映實際情況[6]。

1.2 海況要求

船舶強度評估中極限波浪載荷對應船舶航行和作業海區內船舶預計營運年限內的最惡劣海況，計算中應選取航行海區中的最惡劣波浪散布圖。但由于半潛船作業及載運貨物的特殊性，出于船舶及貨物的安全性考慮，對航線及作業海況也有嚴格要求《法規》對半潛船沉浮作業的環境條件作出了以下明確規定。

1)在有義波高不超過0.3 m的水域，蒲氏風級不超過3級時，經自有液面修正后的初穩性高度不小于0.5 m，或蒲氏風級不超過5級時，經修正后的初穩性高度不小于0.5 m。

2)在蒲氏風級不超過6級，有義波高不超過0.5 m的水域，或者蒲氏風級不超過4及級，有義波高不超過1 m的水域，經自由液面修正后的初穩性高度不小于0.15 m。

根據《法規》要求，半潛船沉浮作業工況應在不大于1 m有義波高的條件下方可進行升沉作業操作[7-9]。

1.3 波譜的參數確定

根據《規范》直接計算部分的要求，船舶在波浪上運動和波浪載荷及其短期預報計算采用P-M波浪譜

考慮到半潛船升沉作業海況的約束條件，這里將H1/3取值為1m；波浪圓頻率ω選取區間為0.2～3，步長取0.1rad/s；波浪跨零周期T2則選擇一定區間內的多個值進行比較，最后確定導致預報載荷極值的T2，計算浪向角θ取0°～180°，步長取15°。

2 計算實例

以一艘鋼質、全電焊、流線型船艏、短艏樓、方型艉部、寬敞作業甲板、電力推進、具有DP-1 級動力定位的自航半潛船為研究對象。選取載運5 000t無浮力貨下甲板入水和深潛吃水的兩種典型沉浮工況，根據其作業手冊中的配載要求，采用SESAM軟件建立船舶三維濕表面模型及質量分布模型，計算船舶船舯最大彎矩的頻響函數，確定等效設計波，計算設計波誘導波浪動載荷及運動響應。

主尺度及相關參數見表1。

文中主要討論半潛船沉浮作業工況下施加于船體的波浪動載荷及波浪誘導船體加速度導致的甲板貨動載荷問題，因此選取半潛船載重5 000 t非浮力貨下船舶主甲板浸沒(吃水12.64 m)和深潛(吃水19.53 m)兩種吃水工況。SESAM建模的全船濕表面網格模型見圖1。

表1 主尺度及相關數 m

圖1 半潛船三維模型網格

2.1 確定頻響函數

計算模型選取船舯彎矩作為用于設計波預報的主要控制參數，船舶沉浮作業下航速為0，計算目標船在規則波不同浪向角下的頻率響應函數曲線。對比發現，在兩種吃水工況下浪向角為180°，遭遇頻率接近0.54 rad/s時獲得船舯彎矩最大值，船舶甲板入水時船舯最大彎矩大于深潛船舯最大彎矩，見圖2。

圖2 船舯彎矩頻率響應函數

2.2 確定設計波

采用P-M波浪譜，三一波高H1/3取《法規》限制最大值1m；跨零周期T2選取6.5～11.5s區間內多個值進行比對預報載荷極值，短期預報時長取3h。計算得設計波參數見表2。

由表2可見，對應半潛船主甲板剛剛浸沒和船體達到最深吃潛水的兩種工況的設計波波幅分別為0.245m和0.317m，設計波頻率分別為0.534rad/s和0.548rad/s。中拱、中垂對應設計波相位分別為325°/303°和145°/123°。

2.3 波浪動載荷的影響

SESAM軟件計算獲得的船舶深潛工況中垂彎矩極值下的波浪載荷見圖3。

表2 設計波參數

圖3 波浪動載荷云圖(T=19.53 m,中垂)

取船舯剖面研究波浪外載荷，并對比《規范》中常規運輸船波浪外載荷計算公式結果。圖4～圖6為船舶沉浮作業不同吃水下直接計算和《規范》規范經驗公式計算所得的船體甲板、舷側、船底處的波浪動壓力圖。

圖4 甲板波浪動壓力

圖5 船舷側波浪動壓力

圖6 船底波浪動壓力

由圖4～6可見，半潛船在甲板入水和深潛工況下直接計算所得的舷側處和船底處波浪動壓力小于規范計算很多，在接近甲板處波浪動壓力迅速上升。對比甲板處波浪動壓力與規范計算值可知。

1)T=12.64 m工況船舯甲板中心位置波浪動壓力直接計算值為38.1 kPa，規范計算值為51.7 kPa。直接計算值為規范計算值的73%。

2)T=19.53 m工況船舯甲板中心位置波浪動壓力直接計算值為13.1 kPa，規范計算值為30.1 kPa，外部靜水壓力為75.6 kPa。直接計算值為規范計算值的43%，外部靜水壓力的18%。

2.4 貨物動載荷

通過SESAM軟件計算等效設計波誘導船體在6個自由度的加速度,見表3。

表3 船體梁6個自由度的絕對運動加速度

表3中6個自由度加速度中影響貨物動載荷的加速度分量為垂蕩加速度、橫搖加速和縱搖加速度，其中橫搖加速度和縱搖加速度基本為0；垂蕩加速度引起貨物動載荷相比貨物本身重量之比為垂蕩加速度與重力加速度之比：0.25%，由垂向加速度引起的貨物與甲板面之間的相互作用力遠小于貨物重力，基本可忽略。

3 結論

1)法規對半潛船沉浮作業工況的環境條件有明確要求，等效設計波參數采用短期預報波浪載荷的方式是可行的。

2)半潛船在法規要求的最嚴重海況下的沉浮作業，其波浪誘導的船體梁加速度很小，可忽略不計，但法規中未對涌浪等情況進行考慮，建議法規明確相應的壞境條件。進而對貨物動載荷作進一步的考量。

3)半潛船沉浮作業工況下，由于環境條件比較理想，沿水深方向波浪動壓力迅速衰減，舷側及船底波浪動壓力較小

4)半潛船甲板承擔貨物壓力、外部靜水壓力和波浪動壓力。從軟件計算結果來看，半潛船深潛工況的波浪動壓力為外部靜水壓力的18%，考慮波浪動壓力的影響是非常必要的。

通用規范對半潛船的波浪動載荷及貨物動載荷計算缺乏實用性。但對這種載貨多樣的特殊船型精細化的計算是必要的，因此建議《規范》在關于半潛船結構強度校核中增加對波浪動載荷的考慮[10]。

[1] 吳宗鐸,宗 智,錢 昆．半潛船波浪載荷計算研究[J]．造船技術，2010,4(1)：1-4.

[2] 遲少燕,楊 青．38 000 t級自航半潛船結構設計[J].上海造船.2011(4):17-20.

[3] 馮志根．半潛船船型特點及其發展前景[J]．上海造船，2006(1)：49-51.

[4] 中華人民共和國海事局．國內海船法定檢驗技術規則[S].北京：人民交通出版社,2011．

[5] 中國船級社．鋼制海船入級規范[S].2012.北京：人民交通出版社,2012．

[6] 賀俊松，彭文科.船舶波浪載荷短期極值的經驗公式[J].中國造船，2011，52(2)：76-86.

[7] 劉應中，繆國平.船舶在波浪上的運動理論[M].上海：上海交通大學出版社，2005.

[8] 戴遺山，段文洋.船舶在波浪中運動的勢流理論[M].北京：國防工業出版社，2008.

[9] 戴仰山，沈進威，宋競正.船舶波浪載荷[M].北京：國防工業出版社，2007.

[10] 肖麗娜，索雙武.深水半潛平臺的環境載荷分析[J].船海工程，2012，41(1)：85-91.

Research on Dynamic Loads of the Semi-submersible Vessel during the Submersible Operations

CHANG Yong-quan, ZHANG Run-hua

(Shanghai Branch of China Classification Society, Shanghai 201306, China)

The external dynamic loads of the semi-submersible vessel during the submersible operations are studied based on the three-dimensional potential flow theory. According to the statutory requirements about the external environmental conditions for semi-submersible vessel in Legal Inspection Rules For International Navigation Sea Vessel, and the wave loads direct calculation methods stated in the Rules for Classification of Sea-going Steel Ships, the dynamic wave loads and cargo loads of semi-submersible vessel during the submersible operations are calculated, so as to provide more accurate external loads for structure design of semi-submersible vessel, and technical support for revising the specification.

semi-submersible vessel; wave loads; design wave

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.036

2014-07-24

國家973項目

常永全(1982-)，男，碩士，工程師

U674941

A

1671-7953(2015)01-0141-04

修回日期：2014-08-10

研究方向:波浪動載荷

E-mail:yqchang@ccs.org.cn