半潛船結構設計簡介

許旸

摘要：半潛船具有作業工況多、裝載貨物不確定及船型寬扁的特點，結構設計及強度校核有別于普通運輸船。本文通過對某50 000 DWT半潛船的結構強度研究分析，闡述了半潛船船型結構特點及其設計要點，為半潛船設計、強度校核提供參考。

關鍵詞：半潛船；結構強度

1.前言

半潛船是海洋油氣開發和海上工程的利器，它不僅可適用于油田導管架、石油開采平臺及配套海上結構物的下水，海洋石油導管架組件的“浮托法”安裝，大型跨海大橋結構物、集裝箱橋吊、大型工程船舶的遠距離調遣，還可用于難船的起浮、移位、運輸以及作為打撈救助作業平臺。半潛船作為特種海洋工程船，船體必須具有足夠的強度、剛度及一定的安全儲備。由于半潛船的船型寬扁，尺度比不在規范的范圍內；營運和作業工況多；裝載貨物結構及種類不確定性等特點。在半潛船結構設計時，必須合理解決如下幾項技術難點：（1）全船骨架形式的確定；（2）船體中橫剖面設計；（3）尾浮箱固定及移動、縱艙壁過渡區域等重要部位局部強度的加強。（4）波浪彎矩及剪力計算預報。

2.半潛船全船骨架形式選取

根據半潛船的作業特點，其作業工況有：無限航區航行、半潛作業和尾部（尾部上貨比橫向要求高，計算時考慮尾部上貨工況）上貨三種工況，每種工況又有許多種不同的裝載狀態。全船骨架形式的確定必須綜合考慮各工況及其不同狀態對強度的要求。

結合50 000 DWT半潛船的主尺度及搶險打撈和運營中尾部上貨工況的情況，主船體（包括主甲板，平臺，縱壁，舷側和船底）采用縱骨架式，以保證該船有足夠的總強度。考慮該船在打撈和運營中也存在橫向上貨的情況，故載貨區域沿船長方向每3個肋位（2400mm）設置橫向強框架用于支撐縱向構件，全船水密橫艙壁扶強材為垂向布置，以保證船體橫向強度。

主船體為雙甲板、雙底、單殼結構，主甲板到船底設有兩道首尾貫通的連續縱艙壁及11道水密橫艙壁。縱艙壁區域設置縱向通道，位于雙層底與2甲板之間。

船體縱向連續構件自船舯向首、尾盡可能延伸，船體主要構件保持連續貫通，中斷時適當做了過渡和補償加強。

3.半潛船船體中橫剖面

船體中橫剖面是承受和傳遞船舶自身載荷、貨物載荷、靜水載荷和波浪載荷關鍵結構；是空船重量重心控制、獲取較大剖面模數的主要方面；是提高船舶強度、確保半潛船功能（大裝載能力和下潛）實施的重要環節。中橫剖面上結構件的布置會直接影響到總體結構的合理性。以較簡單的結構形式、盡量輕的結構重量、獲取較大中剖面模數、傳承船舶的靜水彎矩和波浪彎矩、滿足總縱強度的要求，是船體結構研究和設計的目標。

為此，中橫剖面設計應綜合考慮載荷（靜水彎矩和波浪彎矩）、骨架形式、骨材形式選取、材料選擇等因素影響。本半潛船的結構主要構件尺寸通過多種途徑對結構構件的尺寸及形式進行優化：

（1）主船體（包括首樓、尾浮箱）采用AH36、DH36或EH36高強度鋼，以盡量輕的鋼料重量獲取較大的剖面模數，使船體中橫剖面的設計既滿足總體I生能對結構重量的控制要求，又保障該船的總強度以及局部強度，使該船的結構達到相對最優化。

（2）主甲板采用普通鋼，且主甲板板厚在滿足規范要求的基礎上需再加厚3 mm的裕量，以適應打撈作業和重大件裝卸載過程中產生的磨損要求。

（3）該船的特殊構件通過局部強度分析確定，并作適當加強。

剖面模數計算時，強力甲板（載貨甲板）及其以下所有在0.4L區域內連續的縱向構件的剖面積，均可計入船體梁剖面模數。將船體梁橫剖面對其水平中和軸的慣性矩，除以中和軸至強力甲板邊線的垂直距離，可得出甲板處的船體梁剖面模數Wd；除以從中和軸至平板龍骨上表面的垂直距離，可得出船底處的船體梁剖面模數Wb。

4.船舶總縱強度分析

半潛船由于首部布置有高大首樓，尾部布置有尾浮箱，無論是航行工況還是下潛工況，其中拱彎矩遠大于中垂彎矩。有效降低中拱彎矩是減少船體梁彎曲的重要手段。

4.1船體靜水浪彎矩和切力

靜水彎矩和靜水切力可由船舶的裝載情況獲得其各工況下半潛船的縱向分布載荷，計算船體梁各橫剖面處的靜水彎矩MS和靜水切力FS。

4.2船體梁波浪彎矩和波浪切力

半潛船屬于特種工程船，其運輸對象主要是海上重大結構物、導管架以及各類大型鉆井平臺等。因此，半潛船對船寬參數要求高，相對于其他運輸船來說比較寬扁，系非常規船型。其主尺度不滿足規范規定的適用范圍（L/B>5、B/D<2.5），波浪載荷（波浪彎矩MW和波浪切力FW）將采用直接計算法確定。具體步驟如下：

（1）波浪載荷直接計算的假定

無限航區的船舶，波浪載荷的預報采用基于北大西洋海洋環境的IACS（國際船級社協會）Ree.34波浪統計資波浪統計資料；對于半潛船，航行工況的波浪載荷采用長期預報結果，半潛作業和尾部上貨工況的波浪載荷采用短期預報結果；對于有限航區的船舶，波浪載荷的預報需基于所航行海區的波浪統計資料，如所航行海區的波浪統計資料不限于一種，則選取其中最嚴重的一種進行計算。

（2）波浪載荷計算的水動力模型

波浪載荷直接計算的水動力模型應滿足以下要求：能正確反映實船的質量及分布，確保質量與實船的誤差不大于0.1%，重心位置與實船的誤差不大于0.1%L；濕表面應足夠精細，能夠在水動力意義上準確地描述實船的形狀，排水量與實船的誤差不大于0.1%，浮心位置與實船的誤差不大于0.1%L，網格數一般不小于2 000。

（3）波浪彎矩和波浪切力計算

根據上述的有關規定要求和原則建立的水動力計算模型，計算作用在船體上的流體動力，獲得波浪誘導的船體剖面剪力和彎矩載荷響應的傳遞函數，就可預報半潛船航行工況下10-8超越概率水平的船體剖面垂向波浪彎矩和垂向波浪剪力的長期極值，及下潛典型作業工況和假定期望的最危險作業工況在短期環境條件下的船體剖面垂向波浪彎矩和垂向波浪剪力的短期期極值。

4.3總縱強度

由直接計算確定半潛船無限航區航行、半潛作業和尾部上貨工況的波浪彎矩和波浪切力結果，用于半潛船的總縱強度校核。

5.結束語

半潛船船體結構強度除了像普通貨船一樣按規范要求進行結構設計外，還要考慮它裝載均質貨或重大特殊貨物集中載荷等不同貨物結構對船舶總縱強度、橫向強度的影響，特別是要對尾部上貨或側向（橫向）上貨等不同裝載方式對船體結構強度的影響給予充分考慮。在半潛船未來的發展中，隨著新技術、新材料的應用，將會設計出結構更加合理，船舶綜合性能更加優越，更加適應作業使用需要的半潛船。