半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)設(shè)計原理簡介

陳 莉、伍蓉暉、張 雷、何 珍、陳方紅

（中船黃埔文沖船廠有限責(zé)任公司，廣州510725）

1 概述

目前常規(guī)半潛船在下潛、浮船、貨物裝載操作過程中，因為穩(wěn)性、船舶應(yīng)力過高等潛在安全問題，操作人員需要結(jié)合船舶配載系統(tǒng)、貨物裝載計算、船舶實時姿態(tài)、船舶實時壓載狀態(tài)進(jìn)行人為連續(xù)的壓載調(diào)整，以保證船舶潛浮操作安全。因為半潛船壓載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計算、人為判斷、操作調(diào)整、操作響應(yīng)等都需要大量時間，為了保證半潛船船舶安全，常規(guī)半潛船的潛浮操作是以時間和效率換船舶安全，但是因為操作人員錯誤判斷和誤操作原因，半潛船在作業(yè)過程中依然會出現(xiàn)危險姿態(tài)，影響船舶安全。因此為了確保半潛船的安全作業(yè)，同時有效提高半潛船作業(yè)效率是半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)設(shè)計的方向。

2 半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)簡介

半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)通過船舶設(shè)計和建造數(shù)據(jù)構(gòu)建船舶基礎(chǔ)應(yīng)力截面，通過船舶潛浮過程、裝載過程中船舶不同分段的浮力變化和相應(yīng)壓載水變化，以及具體貨物重量分布參數(shù)，對每個應(yīng)力截面的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力進(jìn)行實時合成，通過壓載水艙壓載水量調(diào)整來消除船體局部應(yīng)力升高，同時也可以保證船舶穩(wěn)性安全。

半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)的優(yōu)點是：首先，系統(tǒng)通過電腦系統(tǒng)對船舶采樣截面的應(yīng)力進(jìn)行快速計算和優(yōu)化提示，降低了船舶操作人員的工作強度，提高系統(tǒng)操作效率。其次，系統(tǒng)可以進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)預(yù)設(shè)，減少大型構(gòu)件貨物裝載產(chǎn)生的船舶應(yīng)力過高的風(fēng)險，提高船舶工作安全性。再者，系統(tǒng)可以根據(jù)船舶極限重心高的限制優(yōu)化船舶重心位置，適應(yīng)一定等級的浪涌危險。

3 半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)設(shè)計

半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)主要目的是：（1）通過船舶設(shè)計建造數(shù)據(jù)、船舶浮態(tài)、船舶壓載狀態(tài)以及船舶裝載情況和裝載計劃，計算船舶采樣切面的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)船體應(yīng)力過高位置；（2）通過船舶壓載系統(tǒng)對船舶壓載水進(jìn)行調(diào)控，對船舶的應(yīng)力過高位置的應(yīng)力進(jìn)行消減，提高船體安全性；（3）通過船舶壓載水系統(tǒng)的調(diào)整，實現(xiàn)船舶應(yīng)力預(yù)設(shè)或應(yīng)力轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)貨物裝載前后船體局部應(yīng)力綜合優(yōu)化，以及船舶穩(wěn)性優(yōu)化，提高船舶裝載安全性；（4）通過船舶優(yōu)化模型，實現(xiàn)快速計算和優(yōu)化操作指導(dǎo)，提高半潛船操作的效率，降低系統(tǒng)操作強度。

因此根據(jù)某半潛船具體船舶結(jié)構(gòu)，采用合理簡單的方法對船體進(jìn)行應(yīng)力采用切面取樣，通過對相應(yīng)采用截面的應(yīng)力疊加計算，發(fā)現(xiàn)船舶取樣截面中異常應(yīng)力截面，通過壓載水量的預(yù)設(shè)調(diào)整，實現(xiàn)船體應(yīng)力安全，提高船舶的安全性是半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)設(shè)計的核心目標(biāo)。

3.1 半潛船船舶船體應(yīng)力截面與應(yīng)力計算方案

基于具體船舶強度計算，對樣船進(jìn)行縱向分割，設(shè)定應(yīng)力采樣截面。

船體從設(shè)計建造開始進(jìn)行船舶應(yīng)力監(jiān)測點切面劃分，根據(jù)具體船型進(jìn)行應(yīng)力切面劃分，原則上劃分切面為壓載水艙艙壁。整個船舶將縱向劃分為N個分段劃分，每個分段進(jìn)行獨立受力計算，包括：船舶固有重量G1N、船舶壓載水艙/油水柜中液體重量G2N、船舶分段浮力F1N、貨物重量C1N（貨艙分段承擔(dān)重量），參見圖1。

船舶分段垂直方向綜合受力：FN=G1N+G2N+C1NF1N+F(N-1)

通過對應(yīng)力監(jiān)測采樣點的曲線柔化連接，則可以得到船體近似應(yīng)力分布曲線，見圖2。

如果FN=0，則船舶分段對兩側(cè)分段應(yīng)力作用為0，如果FN≠0，則該分段取樣切面應(yīng)力為FN，分段應(yīng)力作用對相鄰分段應(yīng)力可以疊加傳遞。[1]

圖1 船舶分段應(yīng)力示意圖

在應(yīng)力計算過程中，每個分段綜合受力計算方程中的變量有：船舶壓載水艙/油水柜中液體重量G2N、船舶分段浮力F1N。主動調(diào)整變量為G2N，被動變量為F1N。因此通過主動變量的循環(huán)調(diào)整，被動變量的反饋修正，可以盡量降低船體應(yīng)力，實際操作中，根據(jù)具體船舶的船體安全應(yīng)力設(shè)計參數(shù)對船體操作進(jìn)行安全應(yīng)力范圍多級設(shè)定，系統(tǒng)保證船體應(yīng)力處于較高安全等級狀態(tài)。

船舶空載應(yīng)力建模：通過每個分段的設(shè)計和建造數(shù)據(jù)和空載浮態(tài)建立船舶空載應(yīng)力曲線作為船舶應(yīng)力參比計算基礎(chǔ)。

船舶形變校準(zhǔn)模型：通過船舶首、舯、尾吃水傳感器測量數(shù)據(jù)和設(shè)計安裝數(shù)據(jù)，建立船舶空載形變模型，作為船舶初始形變參考曲線，以評估后期船舶形變安全。船體形變示意曲線見圖3。

圖2 船舶應(yīng)力曲線示意圖

圖3 船舶總縱變形示意圖

船舶通過壓載水量的調(diào)整。可以對全船的應(yīng)力曲線進(jìn)行調(diào)整，船舶壓載水艙的重力曲線可以通過壓載水艙水位測量和艙容數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和建模。壓載水在船舶的實際分布狀態(tài)和預(yù)期分布，以及對船舶的受力影響可以通過分布縱向曲線進(jìn)行觀測和預(yù)測，見圖4。

圖4 船舶壓載水重量分布示意圖

船舶通過以上曲線的嚙合、對沖和修復(fù)，最佳理想狀態(tài)是船舶整體采樣點應(yīng)力為零，這是趨勢，實際上船舶采樣點的應(yīng)力需要保證在船舶設(shè)計應(yīng)力極限之內(nèi)，但是這是安全最低需求，通過設(shè)定計算，應(yīng)力采樣點將循環(huán)優(yōu)化。

船舶應(yīng)力動態(tài)調(diào)整：船體的應(yīng)力狀態(tài)實際上與航行海域海況、船體構(gòu)件尺寸、裝載量有關(guān)聯(lián)，因此關(guān)聯(lián)貨物、海況、浪級的船舶應(yīng)力轉(zhuǎn)移方案將提高船舶應(yīng)力動態(tài)安全與整體安全性。

船體疲勞檢測：船舶經(jīng)過長期運行后，船體的鋼板、骨材的疲勞問題將會潛在影響船舶安全，通過新造船的船舶應(yīng)力和船體形變曲線、運營期間基于時間的船舶應(yīng)力和船體形變曲線，通過船體形變對比，可以設(shè)定船舶船體結(jié)構(gòu)的疲勞預(yù)警點，提醒船體維修和維護(hù)工作。

3.2 船舶貨物裝載與船舶壓載方案

半潛船主要用于大型、非規(guī)則性貨物，貨物重心和重量分布不受控，每次貨物裝載的方案都需要進(jìn)行計算論證，裝載方和船運方需要對各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行交換和對裝載方案進(jìn)行溝通確認(rèn)，但是半潛船的裝載方案同時受到船舶裝載過程中的實時船舶裝載狀態(tài)的變化影響，在裝載過程中船舶依然存在船舶穩(wěn)性和船舶應(yīng)力安全問題。

基于上述船舶截面應(yīng)力分析結(jié)合船體彎曲應(yīng)力分析，半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)通過負(fù)載曲線、船舶壓載曲線對船舶應(yīng)力曲線疊加方案，可以實現(xiàn)船舶截面應(yīng)力尋優(yōu)，快速靈活的實現(xiàn)半潛船的船舶安全裝載。見圖5所示。

（1）船舶應(yīng)力預(yù)測

針對半潛船裝載貨物特定形狀、重量分布等信息，半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)可以對貨物裝載前、貨物裝載后、船舶壓載系統(tǒng)調(diào)整后的船舶應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行預(yù)分析計算，避免船舶應(yīng)力奇點，提供船舶貨物裝載前的預(yù)裝載船舶應(yīng)力提前儲備，平衡裝載后的船體應(yīng)力奇點，避免船舶在整個裝載過程中出現(xiàn)船體應(yīng)力危險峰值，提高船舶應(yīng)力安全和船舶穩(wěn)性安全。

圖5 船貨應(yīng)力疊加影響示意圖

（2）船舶連續(xù)壓載調(diào)整

傳統(tǒng)半潛船和其他類似商船的壓載水調(diào)整方案是操作人員依照配載系統(tǒng)計算結(jié)果，操作人員逐步對相應(yīng)壓載水艙進(jìn)行壓載水量調(diào)整，在船舶應(yīng)力達(dá)到預(yù)期限定后進(jìn)行下一步調(diào)整動作，以保證船舶的安全。

半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)可以針對半潛船船舶應(yīng)力和穩(wěn)性安全的連續(xù)計算，基于壓載水調(diào)整狀態(tài)和過程對船舶應(yīng)力變化和船舶穩(wěn)性提供趨勢預(yù)測和危險預(yù)判，系統(tǒng)可以提前對船舶壓載系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)船舶應(yīng)力變化和穩(wěn)性變化的動態(tài)控制和連續(xù)控制，大大減少半潛船潛浮操作時間。

4 結(jié)束語

目前半潛船的需求不斷增長，但是針對半潛船的特殊設(shè)計、配套控制系統(tǒng)設(shè)計與設(shè)計計算還存在不足，需要不斷完善和補充，對系統(tǒng)的合理設(shè)計將有助于有效實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)，提高船舶操作安全性，同時降低系統(tǒng)的設(shè)計與施工成本，否則將會造成船舶效率浪費和運營成本提高，充分了解技術(shù)要求，恰如其分的使用設(shè)計條件進(jìn)行計算和控制模型優(yōu)化不但可以大大提高半潛船的使用性能，也可以降低半潛船的運營風(fēng)險，做到船舶性能的全面提升，這些都有待于我們進(jìn)一步的改進(jìn)。