超大型半潛船振動設計研究
——甲板室總振動控制設計

沈玉琦 孫雪榮

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

超大型半潛船振動設計研究
——甲板室總振動控制設計

沈玉琦 孫雪榮

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

采用三維有限元分析技術、依托項目船型進行四種不同設計方案的甲板室總體振動研究，從增加甲板室支撐剛度和剪切剛度出發，結合半潛船自身的結構布置特點，研究各方案對結構設計的影響及優缺點，為超大型半潛船的甲板室振動控制設計提供理論與技術支撐。

三維有限元方法；總體振動；甲板室；結構布置；半潛船

引 言

半潛船指有較大開敞露天載貨甲板，首部或尾部有較高上層建筑（或甲板室或浮箱），并且在裝卸貨物作業過程中呈半潛狀態的船舶［1］。與常規貨船相比，半潛船有其獨特的貨物裝載方式：先往壓載艙內注入壓載水，使船半潛至水面下一定深度；然后將漂浮在水面上的大型貨物定位到主甲板上方；再通過排放壓載水，使船體上浮，從而將貨物托出水面，使其承載在主甲板上進行運輸。這一獨特的半潛裝卸功能使半潛船能夠承運重吊船、滾裝船和起重船等均無法承運的大型海洋設備和工程結構物。

近年來，隨著海工裝備日趨大型化，以重貨運輸市場為主要導向因素的半潛船其船型尺度也隨之增加，載重噸和載貨尺寸均呈現跨越式發展。由于半潛船市場競爭日益激烈、半潛船攜帶技術人員的數量也日趨增加，因此對于甲板室結構的舒適性設計要求也越來越高。將甲板室布置于高大的首樓也是由半潛船特殊的貨物運輸要求和較深的下潛吃水所決定，然而甲板室尺寸又受到首樓甲板布置的限制。因此，在控制甲板室總體質量的前提下，如何有效平衡局部強度與振動已成為大型半潛船結構設計的關鍵。

本文主要闡述依托項目“某90 000載重噸級超大型半潛船”的甲板室總體振動設計。該船的門字形甲板室布置于首樓甲板，主機與首側推裝置均位于首部甲板室下方，螺旋槳布置于尾部并帶導流罩。門字形甲板室長14.4 m、寬42.5 m、高17.85 m，共計6層。甲板室底部距基線35.0 m，甲板室重約930 t（不含煙囪）。文中結合本船實際布置和不可協調因素，除初始方案以外，另采用四種方案進行甲板室整體振動的分析設計，以期提高甲板室整體支撐剛度或甲板室抗剪切剛度［2］。

1 方案設計

1.1 初始方案

初始方案如圖1所示。

圖1 初始方案

1.2 方案1

協調內部艙室布置，增設FR94+800內部橫艙壁及下圍壁（見圖2）。

圖2 方案1 增設橫壁

1.3 方案2

協調內部艙室布置，將距中不連續8 500 mm縱壁更改為連續縱壁，同時協調內部設計，開設門洞局部加強（見圖3）。

圖3 方案2 連續縱壁

1.4 方案3

協調外部首樓甲板布置，左右舷側壁、中縱桁以及距中2 550 mm間增加大肘板結構，以增加甲板室底部剛度（見圖4）。

圖4 方案3 底部局部加強

1.5 方案4

協調外部首樓甲板布置，甲板室前端壁和左右側壁外增加FR97-FR98景觀性外圍壁（見圖5）。

圖5 方案4 前端壁對齊主船體橫壁

2 甲板室總振動計算

甲板室總振動計算采用三維有限元法，借助有限元軟件MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN，以骨材間距為單元間距，采用四邊形殼體單元結合兩節點梁單元模擬甲板室整體結構，建立如圖6所示有限元計算模型；同時按照甲板室質量統計，嚴格區分各層甲板板材及圍壁質量分類統計數據，并對模型質量逐層進行調整，使甲板室質量分布基本與實際統計數據一致。

本船煙囪底部與甲板室底部連接。為全面考慮甲板室底部支撐剛度的影響，甲板室整體固有頻率計算的有限元模型中應包含全部的煙囪結構及其相應的總重。

圖6 甲板室整體有限元模型

本船甲板室整體坐落于首樓甲板，不同方案的有限元計算僅限于對不同方案下甲板室總縱一階固有頻率的研究及分析，因此有限元模型在首樓甲板截斷處統一按照簡支處理。

有限元計算所得甲板室總縱一階固有頻率計算結果見下頁表1，縱向一階振型典型示意圖見下頁圖7。

實船設計中，確定甲板室的總振動固有頻率值需注意綜合考慮首樓甲板下結構支撐剛度的影響，而不僅是簡單地進行簡支或剛固處理。

表1 有限元計算結果列表Hz

圖7 一階縱向振型典型示意圖

3 基于設計考慮的不同結構方案

本船甲板室長14.4 m、寬42.5 m、高17.85 m，共計6層，內部無連續縱壁（初始方案），前端壁與主船體內橫艙壁未對齊，甲板室尺度本身決定了其縱向剛度較弱，內部布置及與主船體的連接也導致上層建筑的剪切剛度和支撐剛度均偏弱。文中比較的四種方案均以增加甲板室的剪切剛度或支撐剛度為出發點，同時考慮本船實際可行性布置，以切合依托船型的實際設計狀態為基本宗旨，綜合比較各方案利弊，為依托船型甲板室的振動設計提供技術依據。

不同方案所引發的甲板室質量調整和固有頻率變化見表2。

表2 不同方案比較

綜合表1和表2的數據可知：

方案2以增加最少的結構質量來盡可能提高甲板室整體縱向剛度，與螺旋槳葉頻激勵錯開大于20%，從理論上支撐了本船初始甲板室設計必須提高其縱向抗剪切面面積，進而提高縱向剪切剛度的技術思路。

方案1 由本船內部布置出發，利用原艙室布置，增設內部橫艙壁，因此改動較少。但該方案缺點是因增設橫艙壁而引起局部縱壁結構上下未對齊、首樓結構構件不連續、甲板室質量增加較多以及甲板室整體結構不連續處較多。

方案2 基于本船內部布置和結構的連續性，增設內部完整連續的8 500 mm左右兩道對稱縱壁，船體結構調整較少，甲板室整體剪切剛度增加效果明顯。但該方案引起內部艙室調整幅度很大，共計三層甲板的房間均需重新調整，配套的管路、電纜、通風等均需同步調整。

方案3 基于本船外部布置和增加甲板室的支撐剛度。不過，該方案雖然利用了總體布置，但嚴重影響甲板室美觀，且甲板室整體剛度增加有限。

方案4 基于本船外部布置和增加甲板室剪切及支撐剛度，甲板室外部美觀有所改善，甲板室前端壁與主船體橫艙壁實現對齊。不過，該方案首樓甲板布置需要調整，甲板室質量增加較多。

本文以方案2的甲板室詳細有限元模型為基礎，結合全船有限元模型［4-5］（綜合后的全船有限元模型見圖8），并詳細模擬空船質量和典型工況質量分布信息，進行甲板室整體振動固有頻率復算，得出典型裝載下的甲板室一階縱向固有頻率值為8.64，從而進一步確定具體方案2下的甲板室整體縱向一階固有頻率值，與螺旋槳葉頻激勵錯開提高至24%。

圖8 綜合全船有限元模型示意圖

4 結 論

由以上各方案甲板室整體一階縱向固有頻率計算結果可知，增設內部連續8 500 mm縱艙壁結構的設計方案2，是以切合依托船型的實際設計狀態為基本原則，直接增加上層建筑的縱向剪切剛度，以增加最少甲板室質量來達到剛度最大化的效果，從而為以后同類型超大型半潛船的甲板室整體振動設計提供較強的理論和技術支撐。

本文旨在提醒以后同類型布置的超大型半潛船甲板室整體設計務必嚴格注意甲板室的整體剪切剛度和支撐剛度，從而在前期設計階段有效預防甲板室的整體振動。

［1］中國船級社.鋼質海船入級規范［S］.2014.

［2］中國船級社.船上振動控制指南［S］.2010.

［3］金咸定，夏利娟.船體振動學［M］.上海：上海交通大學出版社， 2010.

［4］孫雪榮.船型結構物的總縱強度直接簡化計算技術研究［J］.船舶， 2016（3）：1-7.

［5］殷玉梅，趙德友.船舶上層建筑整體振動有限元建模方法研究［J］.中國造船， 2009（3）：49-56.

信息動態

“遠海大型浮式結構物研發”項目順利通過驗收

2016年10月31日，受國家發改委委托，中船集團公司科技部在上海組織對由中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）牽頭，上海外高橋造船有限公司、上海交通大學、中國科學院海洋研究所、中船第九設計研究院工程有限公司和哈爾濱工程大學等單位參研的國家發展改革委海洋工程裝備研發及產業化專項“遠海大型浮式結構物研發”進行了驗收。

項目對大型浮式處理與補給基地（FPSB）功能與規劃、總體方案、結構設計技術、長效防腐技術、系泊技術及模型試驗、與島礁連接技術等8個專題進行了研究，突破并掌握了其功能規劃及總體設計技術、基于極限狀態的結構設計技術、改進型重防腐涂料及氧化聚合型包覆長效防腐技術、多點深水系泊設計及模型試驗技術、長距離輕型浮式棧橋設計技術等前瞻性關鍵技術，研究成果可直接應用于FPSB的設計建造，是發展FPSB的重要技術儲備。

“遠海大型浮式結構物研發”項目由MARIC海工部承擔，順利通過驗收專家評審，并獲得領導和評審專家的一致好評。

On vibration design of ultra-large semi-submersibles— control design of global vibration of deck house

SHEN Yu-qi SUN Xue-rong
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper describes four different design schemes about the global vibration investigation of the deck house for the ultra-large semi-submersibles by three-dimensional finite element method (FEM).The influence of the different schemes on the structural design and their advantages and disadvantages have been studied based on the enhanced supported stiffness and shear the stiffness of the deck house, combined with the structural arrangement characteristics of the semi-submersibles.It can provide the design foundation for the control design of the deck house on the ultra-large semi-submersibles.

three-dimensional FEM; global vibration; deck house; structural arrangement; semi-submersibles

U661.44

A

1001-9855（2016）06-0001-05

工業和信息化部高技術船舶科研項目（工信部聯裝［2014］507號）。

2016-08-13；

2016-10-13

沈玉琦（1980-），男，高級工程師，研究方向：船舶結構設計及項目管理。孫雪榮（1979-），女，高級工程師，研究方向：船舶結構強度分析及振動噪聲。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.001