半潛式起重鋪管船總強度直接計算研究

鐘 晨周 佳楊 輝

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

半潛式起重鋪管船總強度直接計算研究

鐘 晨1周 佳1楊 輝2

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

［摘 要］半潛式起重鋪管船由上平臺中若干立柱和橫撐以及兩個下浮體組成。工作和運營時的結構受力十分復雜，文中采用直接計算方法，對各種典型工況進行有限元計算，對半潛式起重鋪管船總強度載荷模式，主要載荷傳遞路徑和結構設計關鍵區域進行分析和論述。

［關鍵詞］半潛起式重鋪管船；總強度；有限元

引 言

起重鋪管工程船是在無限航區航行，并在滿足設計要求的作業環境和海區內進行海洋工程結構物吊裝、鋪管等作業的特種工程船舶。大型起重鋪管船以其出色的作業能力和穩定性而備受業界關注；同時，也因其體積巨大、作業設備較多，使該類型船的設計和建造成本大大高于普通船舶。本文研究的起重鋪管船為半潛式，作業時既要遭受可能的環境載荷作用，也要同時承受較大的起重作業載荷，受力情況遠較常規船舶復雜；因此，對船體結構的總強度提出了很高的要求。對此，在船體結構的方案設計階段進行結構總強度的分析與評估，為進一步的結構設計提供參考依據，是船體結構設計的重要部分。［1］

總強度評估中的波浪載荷計算采用DNV-GL船級社的Sesam/Wadam軟件，之后將計算得到的各典型工況的外載荷，包括濕表面水動壓力、靜水壓力以及慣性力加載到有限元模型上，采用Sesam/ Sestra模塊對全船有限元模型進行準靜態求解，并對計算結果進行分析討論。

1 船型簡介

本文研究的是一艘鋼質全電焊半潛型起重鋪管工程船。

主要尺度及參數如下：

總 長LOA225 m

水線長 LWL223.06 m

型 寬B 90.00 m

型 深D 47.00 m

航行吃水 12.00 m

起重作業 27.00 m

生存吃水 16.00 m

該半潛式起重鋪管船的主船體由左右兩個流線型下浮體、4對對稱立柱及橫撐和上平臺構成，如圖1和圖2所示。其浮力主要由水下部分（包括左右下浮體和部分立柱）來提供，同時僅由4對立柱提供有限的水線面面積，因此減小了惡劣海況下受到的波浪力，從而改善了船舶的運動性能。此外，由于平臺箱型上船體遠離水面，因此不易受海水波浪載荷影響。

圖1 半潛起重鋪管船側視圖

圖2 半潛起重鋪管船俯視圖

可見，該半潛式起重鋪管船的結構形式與常規船型有很大不同。為滿足設計需要，主船體絕大部分結構材料都采用高強度鋼和超高強度鋼，以減輕結構重量。鑒于該船載荷工況復雜、結構受力形式特殊，將采用直接計算方法對結構強度進行校核。

2 載荷與計算工況

根據規范和相關參考資料要求，半潛式起重鋪管船的典型裝載工況包括作業（起重和鋪管）、航行和生存工況。因此，將根據不同工況下的吃水和質量分布分別建模。采用短期預報方法，根據不同超越概率對應的有義波高和譜峰周期，平均跨零周期預報船體所受的波浪載荷，并根據所得的波浪載荷對結構總強度進行計算分析。其中，作業裝載需要考慮起重時的外載荷最大，但波浪工況只需計算一年一遇即可。航行裝載需計算二十年一遇的波浪載荷，生存裝載則需要考慮目標海域百年一遇的波浪載荷。具體裝載工況和海況條件見表1。

表1 裝載工況和海況條件

本文的分析采用基于三維繞輻射勢流理論的水動力計算軟件，可完成海上結構物的載荷預報，坐標系為船體重心處的隨船坐標系。

半潛式起重鋪管船典型的裝載載況包括作業（起重和鋪管）狀態和生存狀態，對不同載況需要分別進行僅受靜水載荷和受最大波浪載荷條件下的總強度分析。參考工程經驗和相關規范對半潛式平臺的設計要求，需校核以下主導載荷參數確定的等效設計波下結構強度［2-3］；其中，前6個典型受載狀態是參考ABS對半潛平臺的計算要求選取，最大垂向剪切則是因為本船長寬比大于普通半潛平臺而需要進行校核。船體主導載荷下的受力情況見圖3。

計算中建立船體的三維濕表面模型（見圖4）。按照三維繞輻射勢流理論，通過計算作用在船體上的流體動力，獲得波浪誘導的船體各剖面典型波浪載荷的傳遞函數，根據該船的海況，采用對波浪載荷進行預報［4-8］，進而對結構強度進行分析和評估。

圖3 半潛起重鋪管船最大波浪工況

圖4 半潛起重鋪管船三維濕表面模型

3 結構有限元計算

本船的主體結構模型采用殼單元-梁單元結合的力學模型。模型整體采用粗網格單元建模，網格尺度取為兩倍肋骨間距。艙壁板、外板、甲板板，船底板和強框腹板等采用殼單元，強框的面板、縱骨、艙壁扶強材等弱構件采用梁單元，設備、壓載、起重作業時的吊重等質量采用質量單元進行模擬。如圖5所示，整體模型約有32萬個單元、17萬個節點。

圖5 全船有限元模型

結構計算時的載荷加載采用設計波法，對頻率為3～35 s、浪向為全浪向的設計波進行搜索，并計算相應的傳遞函數，結合預報的波浪載荷可以得到用于有限元計算載荷加載的設計波。并將設計波載荷加載到有限元模型上進行計算。

為了避免結構模型發生剛體位移，必須在模型中施加位移邊界條件。由于半潛起重鋪管船結構的特殊性，在選擇邊界條件時，既需要避免強制變形和剛體位移，也需要考慮求解時能體現最大特征載荷的變形狀況。經過不同工況和邊界條件的計算比較，按如下選取邊界條件可以對本船計算的7個工況得到比較準確的計算結果：在下浮體縱橫艙壁和中間甲板的交錯處選取3個節點，每個節點施加如下的位移邊界條件，如圖6所示。

圖6 有限元模型的邊界條件

根據計算結果可知，工作裝載下，最危險狀況出現在靜水工況，下浮體靠后部的縱艙壁、尾部立柱的縱艙壁和上平臺的縱艙壁。此外，下浮體的底板屈曲強度也較為緊張。航行裝載的最危險狀況出現在最大橫向加速度工況時，船首方向的兩組立柱外板和立柱與上平臺連接位置應力最高。生存裝載時，最危險工況出現在波浪最大扭矩和最大縱向剪切工況，最大應力出現在船首方向的兩組立柱外板、立柱和上平臺、下浮體連接位置。

4 分析與討論

由于特殊的結構形式和作業特點，本船與傳統的半潛式平臺應力分布既有相似之處，也有很大不同。

在作業（尾吊）工況，波浪載荷相對很小，但由表1可知，因為規范規定了較大的靜水工況安全因子，所以靜水工況成為設計控制工況。計算中的最大應力出現在下浮體靠近尾部的縱艙壁（如圖7所示），對應的上平臺縱艙壁尾部立柱縱艙壁明顯剪應力較大，可以看出清晰的應力傳導路徑。同時，由于在此工況下，船體浮態的調整要求，靠近船前部往往需要注入大量壓載水進行平衡；因此，半潛起重鋪管船的整體變形情況，類似排水型船的船體最大中拱。雖然結構形式不同導致應力分布也有差異，但對下平臺的船底屈曲強度同樣也提出了很高的設計強度要求。

圖7 尾吊工作工況下浮體縱艙壁高應力區域（靜水）

圖8 航行裝載立柱外板高應力區域（最大橫向加速度）

在航行裝載中，危險區域出現在最大橫向加速度工況時，首部前2組立柱和立柱內側外板區域（如圖8所示）。因為在航行裝載的狀況下，本船吃水較淺，而船體的重心相對其他裝載工況較高，因此在橫搖時產生了更大的橫向加速度，并且兩個下浮體之間的受力分布不均。相對而言，靠近船尾的2組立柱之間各有3對橫撐，可以較好地分散應力，而靠近船首的2組立柱只有近船中的1組立柱之間有3對橫撐，結構剛度偏小，因此外板受力更大。其中一組立柱既無橫撐又靠近船首，并且要承受縱向受力不均和橫向受力不均，故所受拉壓和剪應力更大。

在生存裝載下，采用百年一遇的波浪工況，波浪載荷的影響達到最大。生存裝載吃水介于作業裝載和航行裝載之間，波浪力主要作用于立柱。最危險工況出現在扭矩與縱向剪切工況的最大立柱外板以及立柱與下浮體、上平臺連接的位置，如圖9所示。

圖9 生存裝載（百年一遇海況）立柱外殼高應力區域（最大縱向剪切狀態）

相對于作業航行裝載，生存裝載的變形主要是左右船體和立柱受到縱向不均勻力而引起。因此，在立柱與下浮體、上平臺連接的轉圓處，應力集中非常明顯，粗網格往往已經不能滿足計算校核的要求，建議進行細網格分析，并且對轉圓區域的結構連接形式進行特別設計，以滿足強度要求。

根據本船計算研究，可以總結出半潛式起重鋪管船的總強度。直接計算的一般流程如圖10所示。

5 結 論

圖10 半潛式起重鋪管船總強度計算的一般計算流程

本文通過半潛式起重鋪管船的實際研究設計，對結構設計中的核心分析技術（總強度分析）進行介紹；通過對計算結果的討論，分析半潛式起重鋪管船結構設計中需要注意的要點，歸納、總結出針對半潛式起重鋪管船的直接計算工況，可供相關人員參考。

［參考文獻］

［1］ 王風云，羅超. 深水起重鋪管船船型研究［J］. 天津航海，2012（1）：41-44.

［2］ 董寶輝，高定全，羊字軍，等. 半潛式平臺整體強度分析［J］. 中國造船，2012（11）：211-216.

［3］ 馮國慶，任惠龍，李輝，等. 基于直接計算的半潛式平臺結構總強度評估［J］. 2009（3）：255-261.

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［6］ DNV. Postprocessor for General Response Statistics［S］，Sesam User's Manual，2006.

［7］ 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.

［8］ ABS. Rule for Building and Classing［S］. Mobile Offshore Drilling Units. 2008.

［中圖分類號］U661.4

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0052-05

［基金項目］重大專項深水鋪管起重船及配套工程技術（2011ZX05027-002）。

［收稿日期］2014-09-11；［修回日期］2014-10-08

［作者簡介］鐘 晨（1982-），男，碩士，工程師，研究方向：海洋工程結構設計、結構分析和優化。周 佳（1981-），男，博士，高級工程師，研究方向:海洋工程結構強度設計和計算以及結構分析和優化。楊 輝（1980-），男，碩士，高級工程師，研究方向：海洋平臺與工程船舶總體設計與性能研究。

Global strength analysis and calculation of semi-submersible crane/pipe-laying vessels

ZHONG Chen1ZHOU Jia1YANG Hui2

(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; (2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

Abstract：A semi-submersible crane/pipe-laying vessel consists of upper hull， several columns， braces and two low attached hulls. Its structural stress is very much complicated under working and sailing conditions. With a direct calculation method， this paper carries out the analyses and discussions of the load mode of global strength，transfer path of main loads and key area for the structural design of the semi-submersible crane/pipe-laying vessel under the various typical working conditions by FEM.

Keywords：semi-submersible crane/pipe-laying vessel； global strength； FEM