超大型半潛船船體結構直接計算設計研究

孫雪榮 楊 青

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

特邀專欄

超大型半潛船船體結構直接計算設計研究

孫雪榮 楊 青

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

借助直接計算設計技術，結合依托半潛船型自身特有的結構布置、特殊的不確定性重載以及較高的壓載艙設計附加壓力，由現(xiàn)行規(guī)范規(guī)則出發(fā)，從船體總縱強度、橫向強度、最大變形和振動共計四個方面詳細闡述超大型半潛船船體結構設計，為超大型半潛船的設計研發(fā)提供基礎。

直接計算；半潛船；總縱強度；橫向強度；最大變形；振動

引 言

半潛船系指有較大開敞露天載貨甲板，首部或尾部有較高上層建筑、甲板室、浮箱，在裝卸貨物作業(yè)過程中呈半潛狀態(tài)的船舶［1］。與常規(guī)貨船相比，其具有獨特的貨物裝載方式：先在壓載艙內打入壓載水使船半潛到水面以下一定深度，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上浮將貨物托出水面，并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尺度和重量巨大的，連重吊船、滾裝船和起重船都無法承運的大型海洋設備和工程結構物。

半潛船型由于其主尺度比、性能標準、結構形式、設備布置等方面與常規(guī)運輸船相比差異較大，加之型寬/型深較大，故不利于船體梁總縱強度［2］。目前，各船級社對半潛船章節(jié)的規(guī)定和描述一般較為籠統(tǒng)且不盡完善，很多適用于貨船或普通船舶的標準和規(guī)定很難具體執(zhí)行于半潛船，尤其是大型或超大型半潛船。因此，本文從直接計算技術［3］出發(fā)，著力闡述依托超大型半潛船項目在船體結構設計方面的強度、剛度及振動等特殊的自身設計技術，為開發(fā)新型超大型半潛船提供理論設計基礎，更為目前超大型化的半潛船實際設計提供工程前提。

本文在總結我院成功設計兩型50 000 載重噸級大型半潛船的工程經(jīng)驗基礎上，主要闡述依托項目“90 000 載重噸級超大型半潛船項目”的船體結構計算設計。該項目為雙機雙槳常規(guī)推進，總長255 m、型寬68 m、型深14.5 m、下潛吃水30.5 m、設計吃水10.2 m，移動式可拆卸尾浮箱，門字形甲板室布置于首樓甲板，主機與艏側推裝置均位于首部甲板室下方的雙層底上，螺旋槳布置于尾部并帶導流罩?？偛贾檬疽庖妶D1。

圖1 依托項目超大型半潛船總布置示意圖

1 船體總縱強度直接計算

載運海洋結構物的大型半潛船，其船體結構設計的難點和特殊點主要在于型深較小，并且主甲板載貨區(qū)設計載荷大大超出常規(guī)船舶。除大面積均布載荷工況外，類似Spar平臺等隨機性大范圍集中重載工況帶來的船體總縱強度比較嚴峻，而且主甲板面積將反復承受焊接和氣刨，因而主甲板一般均會額外增加厚度。此外，船體結構質量占空船質量的比例較高，以及半潛船特殊的首部高首樓和尾部尾浮箱，使設計中必須盡量控制船體首尾結構質量，以降低重心并減小因船體空船質量而引起的中拱彎矩［4］；而且首樓范圍段船體結構與主船體連接處的結構和剛度連續(xù)性，尾部上貨工況時的偏尾部結構彎曲和剪切強度問題等均為半潛船自身特有的結構布置形式帶來的設計問題。

針對超大型半潛船的船體總縱強度設計，本文采用了傳統(tǒng)二維中剖面計算結合三維總縱強度直接簡化計算技術的聯(lián)合路線，關于直接簡化計算技術的具體細節(jié)可參見文獻［3］。計算工況的選擇基于靜水載荷、波浪載荷極值相應的實際裝載穩(wěn)性計算書，船體濕表面以下全船范圍內節(jié)點載荷的施加通過程序化數(shù)值語言自動實現(xiàn)。有限元直接簡化計算模型示意圖見圖2。

圖2 總縱強度直接計算三維有限元模型

三維直接計算結果總結見下頁表1，主要構件應力分布示意圖見下頁圖3和圖4。

三維有限元直接簡化計算結果與二維中剖面計算結果在船舯區(qū)域一致；前者更直觀三維地反映超大型半潛船船舯區(qū)域、首樓分段與主船體連接區(qū)域，尾部分段與主船體連接區(qū)域的應力空間分布，基于三維空間應力分布下的全船范圍船體結構質量控制，從全船結構強度和剛度連續(xù)性角度更全面地指導船體結構設計，彌補二維中剖面設計的不足，較為理想地解決了半潛船型獨特的船體結構布置特點所重點關注的結構區(qū)域設計問題。

表1 總縱強度直接計算結果列表MPa

圖3 外板正應力分布示意圖

圖4 外板剪切應力分布示意圖

2 船體橫向強度直接計算

半潛船型特有的所有大量壓載艙均需設置空氣管，空氣管穿越強橫梁，而且壓載艙結構設計附加壓力達到3.0 bar（0.3 MPa）。半潛船（尤其是100 000 載重噸級的超大型半潛船）的B/D值已接近5.0，壓載水艙容總量預計超過200 000 m3。超強的壓載水調節(jié)能力可以保證船體縱向彎矩在船體梁設計彎矩之內，卻對船體梁橫向強度提出挑戰(zhàn)。非確定性的集中重載貨物在強橫梁處設計載荷可達125 t/m，這些情況將使半潛船型的橫向強度問題變得極為嚴峻。目前規(guī)范對半潛船橫向強度設計提出的規(guī)定仍較為籠統(tǒng)，如CCS規(guī)范要求：

（1）應對整個船長范圍內典型橫向結構進行橫向強度校核。

（2）計算工況應包括半潛船典型的作業(yè)工況，其中應含有假定期望的最危險作業(yè)工況。

（3）橫向強度校核時，應考慮下述載荷的作用：

① 半潛船自重（包括龍骨墩）；

② 被運輸對象的最大質量；

③ 特定吃水下的外部靜水壓力；

④ 相對應于③時，半潛船舉起被運輸對象最大質量時，均布壓載水的內部靜水壓力。

（4）彎曲許用應力為170/K（MPa）、剪切許用應力95/K（MPa）、任何點合成應力許用應力取為180/K（MPa），K為材料系數(shù)。

本文對半潛船橫向強度結構設計參照駁船橫向強度直接計算規(guī)定進行（艙段有限元模型示意圖見下頁圖5），嚴格結合本船實際情況，橫向強度計算時充分考慮不同甲板設計載荷、不同壓載水艙作業(yè)、不同空氣管排載等半潛船所特有的作業(yè)工況。本船船舯區(qū)域橫向強度實際計算工況共計23個，船尾區(qū)域橫向強度僅考慮壓縮空氣排壓載水工況（實際共計9個）。典型計算載荷工況與橫向構件應力結算結果的示意圖分別見下頁的圖6與圖7。

通過對于目前幾型半潛船橫向強度的設計總結，我們提出對于大型甚至超大型半潛船的橫向強度結構設計，需特別注意以下結構：空氣管穿越強框架的剪切面積補償；垂直桁端部放大的抗彎剛度及趾端設計；雙層底肋板在垂直桁附近的剪切強度；橫艙壁水平桁的彎曲、剪切強度設計；縱骨穿越桁材處與桁材腹板的連接面積。尤其要注意應根據(jù)經(jīng)驗適當降低壓縮空氣排壓載艙結構的設計許用應力，以達到結構安全設計的目的。

圖5 橫向強度直接計算有限元模型示意圖

圖6 橫向強度計算典型工況示意圖

圖7 橫向結構應力分布示意圖

3 船體梁變形直接計算

除主甲板外，全船采用高強度鋼，提高了船體結構強度，控制了空船質量，但同時也犧牲了船體梁總體剛度。通常超大型半潛船船舯剖面慣性矩余量較小，在質量可控的前提下，盡量使船舯0.4L范圍內縱向連續(xù)構件尺寸不變。目前規(guī)范對半潛船慣性矩的要求與普通船一致， 船舯剖面對水平中和軸的慣性矩I不小于下式計算之值（其中各參數(shù)具體含義見文獻［1］）：

本文闡述的半潛船型船體變形直接計算有限元模型及載荷同船體總縱強度直接計算章節(jié)，直接計算變形示意圖見圖8。

圖8 中垂變形示意圖

對我院幾型大型半潛船船體設計載荷下船體變形的三維直接簡化計算結果統(tǒng)計可知，對于大型甚至超大型半潛船而言，在初期設計階段，船體梁變形值可由以下公式估算：

式中：δmax為船體梁最大變形值；Mmax為船體梁設計載荷對應的彎矩值；L為計算船長；E=2.06×105N/mm2為彈性模數(shù)；I為船舯剖面慣性矩；f≈0.095，具體數(shù)值取決于設計主導載荷工況下的載荷分布均勻程度。

該估算公式參照兩端自由支持簡支勻質梁［5］變形計算公式的表達形式，并引入f≈0.095的無量綱因子。由目前掌握的計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，在滿足了規(guī)范對半潛船慣性矩要求前提下，大型甚至超大型半潛船船體梁最大變形一般大于L/400，遠未達到工程上常規(guī)船舶所認可的L/500（L為計算船長）。但是，現(xiàn)行規(guī)范并未對半潛船設計提出明確的撓度控制指標，而目前有些高配置半潛船已應船東要求配置了撓度控制系統(tǒng)，以監(jiān)控輸出整個船長范圍內的最大撓度值，相信隨著半潛船日趨超大型化，這一點定將越來越趨常態(tài)化。

4 船體振動直接計算

采用全電力驅動系統(tǒng)是當今半潛船的主流配置形式，伴隨著長距離航行和動力定位的需求，推進器配置形式也趨于多樣化。電力推進［6-8］是用變速驅動方式改變船舶航速，螺旋槳本身不需要額外任何控制，可以采用定距螺旋槳，其最大特點是將原動機與螺旋槳分開布置，柴油發(fā)電機組恒速運行，能遠離船體結構的共振點，機組負荷平穩(wěn)，不會產(chǎn)生較大的額外振動和噪聲。典型半潛船動力配置表見表2。

表2 半潛船典型動力配置表

隨著半潛船技術的發(fā)展和半潛船市場競爭的加劇，半潛船攜帶技術人員的數(shù)量也日益增加，因此甲板室結構的舒適性設計要求也越來越高，而甲板室布置在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。不過甲板室尺寸又進一步受到首樓甲板布置的限制，因此在控制甲板室總質量的前提下，如何有效平衡甲板室總質量、局部強度與振動等問題已成為大型半潛船結構設計的重要部分。本文從總體振動、甲板室總振動、甲板室局部振動等方面進行了全船性振動控制設計，旨在全面了解大型或超大型半潛船特有的自身振動特性，以期在前期設計階段全面控制船體振動。

4.1 船體總振動直接計算

船體總振動直接計算有限元模型基本與全船總縱強度直接計算模型相同，并在其基礎上模擬空船質量和裝載質量。除尾浮箱和甲板室外，空船質量調整可通過分段改變材料密度的方式來實現(xiàn)；尾浮箱和甲板室質量調整可通過調整相應結構整體材料密度來實現(xiàn)。整體有限元模型示意圖見圖9，最小裝載狀態(tài)下船體梁固有頻率值計算結果見下頁表3，典型船體梁振型示意圖見下頁圖10。

圖9 船體梁總振動有限元模型示意圖

表3 船體梁固有頻率值計算表（最小裝載狀態(tài)）

圖10 超大型半潛船船體梁振型示意圖

之所以僅選取最小裝載狀態(tài)，源于半潛船型特殊的不確定性重載任務。從理論上講，裝載貨物工況下的船體梁固有頻率值將低于最小裝載狀態(tài)下的固有頻率值；但裝載體積龐大、重心高度較高的貨物時，貨物固定方式一般均直接焊接至主甲板，被載貨物實際參與船體梁強度和剛度，并且需根據(jù)目標重載的具體屬性進行獨立的總強度及局部強度等各方面核算并提交有關當局認可，這也是半潛船型“一物一算”的船型特有問題。

由船體自由振動計算結果可知，本船最小裝載下的總體振動要注意可能發(fā)生的波激振動現(xiàn)象。波激振動的明顯表現(xiàn)是較大尺度的海船（L不小于180～200 m），以及船體型深與長度之比H/L不大于1/16～1/18的彎曲剛性較低的船舶（有限航區(qū)淺吃水船舶和河?；祀s航行船舶）所特有的。

本依托項目中的超大型半潛船彎曲剛性偏低（D/L=1/17），且屬于大尺度型海船，因此波激振動難以避免。船體的波激振動最主要表現(xiàn)為引起船體的疲勞現(xiàn)象。因此，實際結構設計中對縱骨的節(jié)點形式、連接面積、焊接系數(shù)等均在比較各家規(guī)范后，嚴格按照DNV規(guī)范的較高要求進行，以避免引起可能的疲勞問題。

4.2 甲板室振動直接計算

由半潛船型典型動力配置可知，大型或超大型半潛船的甲板室結構振動控制設計一般要求甲板室總體振動和局部振動均需避開螺旋槳和主輔柴油發(fā)電機等激勵頻率。本依托項目采用三維有限元直接計算方法，確定各關心甲板室區(qū)域結構固有頻率值，以期在設計階段避免共振現(xiàn)象發(fā)生。甲板室總振動計算模型在船體梁總振動有限元模型下完成（見圖9），不同之處在于進一步結合最新的詳細甲板室質量統(tǒng)計信息，對甲板室質量分布進行詳細模擬。

本文闡述的甲板室長14.4 m、寬42.5 m、高17.85 m，共計6層（見圖1），內部并無連續(xù)縱壁（初始設計方案），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，因此其甲板室總振動設計在最初設計方案基礎上，由本船內部布置和結構連續(xù)性出發(fā)，立足實際工程，增設內部完整連續(xù)的距中約8 500 mm的2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（計算結果比較見表4），但共計3層甲板的房間、配套的管路、電纜、通風等均作同步調整（結構示意圖見圖11）。

表4 甲板室固有頻率計算值比較表Hz

圖11 增設連續(xù)縱壁

半潛船的甲板室布置及尺寸受制約因素相對較多，因而如何在有效控制甲板室總質量前提下，權衡局部布置、強度及振動等方面尤其重要。甲板室前后端壁與主船體的連接在滿足各方要求下務必做到剛度連續(xù)；在甲板室尺度已定的前提下，務必注意甲板室本身整體的支撐剛度和剪切剛度，以避免結構不連續(xù)或剛度不匹配引起局部破壞問題。

除甲板室總振動外，甲板室板架局部振動計算在甲板室整體振動有限元模型基礎上進行，有限元模型在首樓甲板截斷處統(tǒng)一按照簡支處理。有限元模型示意圖見圖12，典型板架局部振型示意圖見下頁圖13。因甲板室總質量控制的需要，半潛船型板架結構設計中要注意縱桁、橫梁相互支撐的實際需求并根據(jù)實際情況，妥善地布置圓柱結構以減小板架跨距。

圖12 甲板室局部振動有限元模型示意圖

圖13 甲板室各甲板板架典型振型示意圖

甲板室局部板和加筋板結構固有頻率值計算依舊采用傳統(tǒng)Rayleigh-Ritz計算方法［9］，設計中嚴格注意局部板和加筋板結構固有頻率避開激勵頻率范圍即可。

5 結 論

半潛船型因其籠統(tǒng)的規(guī)范規(guī)定和獨特的超尺度比、性能標準、結構形式、設備布置等特點，直接計算設計技術在其設計研發(fā)中占有重要地位。本文利用直接計算設計技術，著重解決了超大型半潛船結構設計需關注的特有問題：

（1）著重于利用三維有限元直接簡化計算技術結合傳統(tǒng)二維中剖面設計，完成依托超大型半潛船的總縱強度設計；

（2）借助傳統(tǒng)的艙段有限元三維直接計算分析技術，結合船型實際特點，完成依托超大型半潛船關心區(qū)域橫向強度設計；

（3）統(tǒng)計分析幾型半潛船船體梁變形直接計算結果，總結和提出適合于大型或超大型半潛船的船體梁變形估算公式；

（4）采用總體、局部相結合的振動控制技術完成依托超大型半潛船項目的船體振動控制設計。

希望本文能對超大型半潛船型研發(fā)起到拋磚引玉的作用，并為大型化海洋工程輔助船型的結構設計提供借鑒。

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Direct calculations of structure of ultra-large semi-submersible vessels

SUN Xue-rong YANG Qing
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The semi-submersible vessels are characterized of unique structural arrangement, special uncertain overloading, and higher additional pressure of the ballast tank. According to the current regulations, the structure design of an ultra-large semi-submersible vessel has been introduced from its longitudinal strength, transversal strength, maximum defl ection and vibration by the direct calculation design method. It can provide the basis for the design and development of the ultra-large semi-submersible vessels.

direct calculations; semi-submersible vessels; longitudinal strength; transversal strength; maximum defl ection; vibration

U662.2

A

1001-9855（2017）02-0001-09

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.001

2016-10-13；

2016-10-28

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研究。楊 青（1972-），女，研究員。研究方向：船舶結構設計研究。