地質調查船月池結構局部強度評估及優化

馮 維，余洋喆，李 輝

(1. 中國艦船研究設計中心，上海 201108；2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

地質調查船是專門從事海洋地質調查的船舶，是海洋科學調查與研究的基礎平臺。該類船通常裝備有精密的探測儀器和定位系統，并且配備專業調查的設備。同時，為了方便收放設備，會在船中布置一種垂向貫穿船體，與海水直接相連的月池結構。由于月池結構的存在，船體沿船長方向產生了不連續性，使得船體在月池區域處將出現嚴重的應力集中現象。此外，由于月池區域布置有較多的設備，月池結構還會受到周圍設備產生的局部載荷。因此，有必要對月池區域的結構強度進行分析和校核。

目前，國內外對帶有月池結構的各類船舶開展了多方面的研究。文獻[1]采用譜分析的方法對深水多功能水下工程船月池角隅的疲勞強度進行了校核；文獻[2]就不同結構形式以及尺寸的月池對FDPSO水動力性能的影響進行計算研究；文獻[3]基于三維勢流理論和波浪誘導載荷理論，分析了不同的月池尺寸、月池縱向位置以及船體吃水時附加質量和附加阻尼的變化趨勢，進行了含月池開孔的FPSO波浪誘導載荷的長期預報。本文基于三維勢流理論,利用設計波法計算了帶有月池結構的地質調查船的波浪載荷，參考中國船級社《散貨船結構強度直接計算指南》（2003）（下文簡稱《指南》）[4]對月池結構強度進行評估，對不滿足許用應力標準的結構給出了優化方案。

1 波浪載荷計算原理

1.1 波浪載荷和船體運動預報基本理論

船舶在其工作過程中所受到的載荷主要有重力載荷、環境載荷、作業載荷和偶然性載荷。環境載荷包括波浪載荷、風載荷和流載荷。正確計算波浪載荷是船體結構強度分析、結構設計與安全評估的基礎。

研究船舶在波浪上的運動和載荷時，假定船舶所處的海洋環境滿足勢流理論假設，即流體是不可壓縮的，不考慮粘性的影響，并且流動是無旋的[5]。本文利用基于三維勢流理論的Compass-Walcs軟件進行船舶運動與波浪載荷的預報。

速度勢在整個流場內需滿足拉普拉斯方程：

且應滿足相應的定解條件：

規則波中浮體運動微分方程可整理為：

波浪載荷預報應首先求出波浪誘導船體運動和載荷的傳遞函數，然后通過船舶航行海區的海浪譜計算出船體波浪運動和載荷的響應譜，最后用波浪統計預報方法得出船體波浪運動和載荷的統計值。

短期海況可視為均值為0的平穩正態隨機過程。此時船體對波浪的響應可看作是線性時不變系統。由隨機過程理論可知，在海浪的作用下（輸入），其響應—波浪載荷（輸出）亦將是均值為0的平穩正態隨機過程。輸入與輸出之間關系可以通過以下公式給出

假定控制載荷的響應為瑞利分布，則其分布可表示如下：

控制載荷的響應的最大值可表示為

1.2 設計波系統

設計波法要解決的關鍵問題是確定設計波的各要素（波幅、頻率、浪向等），使其計算出來的船體應力水平能夠代表船體航行中對應一定超越概率水平的應力水平。考慮到月池部位可能受到的最大載荷，本文選用水平剪力、水平扭矩、垂向彎矩和橫搖作為主控載荷進行設計波計算。首先計算目標船在波浪中的幅頻響應，然后根據計算工況中的浪向及海況參數 ,對以上4個控制載荷進行短期預報。由此，可確定設計波的各個要素。

設計波的波幅可由下式進行計算：

等效設計波的相位應取在使所考慮的控制載荷參數在余弦波作用下達到最大的相位或位置。

2 全船有限元模型結構化處理

2.1 全船結構有限元模型

根據指南要求建立全船有限元模型，采用左手坐標系，原點O位于FR0尾垂線處，x軸向船首為正，y軸向右舷為正，z軸垂直向上為正。采用板單元模擬甲板、外殼板、外底板、縱桁、甲板橫梁、橫艙壁、面板、橫隔板等構件中的板殼結構，以及各種構件之間的連接肘板。采用梁單元模擬各種構件上的尺寸較大且連續的縱骨、加強筋、扶強材等，并按照實際情況考慮梁的截面和偏心。有限元模型中的網格尺寸縱向以肋骨間距為基準，橫向以縱骨間距為基準。對于月池結構，為準確表示月池井架等構件，采用細網格尺寸（50 mm*50 mm）進行結構建模。地質調查船總體有限元模型及部分結構模型如圖1～圖3所示。

圖1 全船有限元模型示意圖Fig. 1 Finite element model of the target ship

圖2 帶有消波孔月池結構有限元模型示意圖Fig. 2 Finite element model of moon pool structure

圖3 月池上井架支座有限元模型示意圖Fig. 3 Finite element model of derrick substructure

2.2 有限元模型重量分布調整

為保證船體的質量模型與船舶實際情況嚴格一致，需將未模型化的上層建筑、舾裝及設備的重量，通過一定的質量模型予以計入。根據船舶重量重心的資料，在有限元模型的相關位置布置質量點，以此方法調節模型的重量重心分布。

2.3 邊界條件

在對模型進行靜力平衡調整后，整個船體不施加任何約束，采用慣性釋放原理進行分析。

3 計算載荷

3.1 計算工況

針對本船的工作狀態（4級海況）和暴風狀態（7級海況），同時考慮在2種海況下所受到的環境載荷，可將計算工況分為8種，如表1所示。

3.2 計算載荷

本船在各工況下所受到的載荷主要包括波浪載荷和工作載荷，工作載荷包括月池蓋處的載荷，井架支腳處的支反力等。

1）波浪載荷

采用三維線性波浪載荷程序Compass-Walcs進行波浪載荷計算，按照上文所述的設計波方法進行波浪載荷預報，目標船的水動力計算網格如圖4所示。

圖4 水動力網格示意圖Fig. 4 Panel model of the target ship

2）工作載荷

月池上方布置有井架及月池蓋支撐臺，相應的支反力如表2所示。通過建立參考點的方式以集中力形式加載，如圖5所示。

4 月池結構強度評估

4.1 許用應力

該屈服強度評估根據《指南》的相關規定進行，對船體結構按構件類型分類評估。校核部分均采用AH36鋼，其材料換算系數K為0.72。參考《指南》規定，許用應力如表3所示。

表2 工作載荷Tab. 2 Working load

圖5 工作載荷施加示意圖Fig. 5 Working load applied in moon pool structure

表3 許用應力值Tab. 3 Stress criterion

4.2 應力計算結果

針對前述的8種工況，利用MSC/NATRAN進行強度計算，可得到每種工況下的船體總強度應力響應,典型結構部位的最大應力值及其與許用應力的比較如表4和表5所示。

4.3 結構優化及評估結果

從上述計算結果可以發現，甲板橫梁和隔板的強度在2種海況下均不滿足規范要求；在7級海況下，井架支腳的強度不符合規范要求。因此，將甲板橫梁，月池壁，隔板厚度增加，并將井架支腳進行結構優化后再次評估。圖6為優化后的井架支座示意圖。

表4 四級海況下月池結構應力計算結果Tab. 4 Stress results of moon pool structure under 4th sea state

表5 七級海況下月池結構應力計算結果Tab. 5 Stress results of moon pool structure under7th sea state

圖6 優化后井架支座示意圖Fig. 6 Optimized finite model of derrick substructure

由上述計算結果可知：

1）在4級海況下，井架支座，支座下甲板板，甲板橫梁，月池壁和隔板均符合屈服強度要求且未超過許用應力的60%，說明增加板厚及優化井架支座結構的效果較好。

2）在7級海況下，井架支座，支座下甲板板，甲板橫梁，月池壁和隔板均符合屈服強度要求。

表6 優化后4級海況下月池結構應力計算結果Tab. 6 Stress results of moon pool structure under 4th sea state after optimization

表7 優化后7級海況下月池結構應力計算結果Tab. 7 Stress results of moon pool structure under 7th sea state after optimization

5 結 語

本文采用直接計算法詳細地校核了地質調查船的月池結構局部強度，并對不滿足規范要求的結構進行優化。基于上述計算過程和方法探究，得出結論如下：

1）本文所采用的基于三維勢流理論的設計波方法所預報的帶有月池結構的地質調查船的波浪載荷較為合理可信；

2）基于直接計算法對月池結構的強度進行了校核，經優化后的月池結構局部強度符合強度規范要求；

3）規范中并未對類似船型的月池結構強度校核提供具體方法，本文的校核方法可行，可為類似船型結構設計提供參考。