深海采礦船船體結構三維直接設計分析

陶尼斯,張勇,郭興乾,楊亞男,李成君

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

深海采礦船是一種典型的高難度、高技術、高附加值船舶。全球首艘深海采礦船是由新加坡Sea Tech公司設計、福建省船舶工業集團有限公司下屬的福建馬尾船廠建造，完成交付后由加拿大鸚鵡螺礦業公司租用并部署到其在巴布亞新幾內亞專屬經濟區的工程中。目前，國外發達國家已基本具備了深海采礦的技術能力，而我國在采礦船方面的研究工作起步較晚，尚未完全掌握深海采礦的核心技術，針對船型方面的研究更是處于空白[1]。本文以深海采礦船船型開發課題為背景,主要從中剖面設計、艙段有限元分析，關鍵設備加強強度分析三方面對深海采礦船結構設計流程進行闡述，通過解決項目中遇到的問題，為深海采礦船結構設計提供技術儲備。

目標采礦船機艙、艏推進器艙、艏側推艙、生活樓及直升機平臺布置在艏部區域；主甲板中、艉部為采礦作業區域：重型吊機、外輸設備、塔架、A字架、礦漿處理模塊等重型機械設備及作業模塊布置于該區域；貨艙布置在船體舯部區域；目標采礦船舯部設有10 m×10 m從主甲板到船底垂向貫穿式月池結構，總體布置示意見圖1。

圖1 目標采礦船總體布置示意

1 舯剖面設計

采礦船結構設計難點在于船體結構設計載荷遠超過常規船舶。甲板除了承受大面積面載荷外，還要承受重型機械設備的功能性載荷及大范圍分布的隨機性載荷，使得船體結構設計問題十分嚴峻。

舯剖面設計是船舶結構設計的關鍵環節，合理設定舯剖面結構對于提高結構強度和船體性能來說至關重要。構件的布置既要滿足承受和傳遞載荷的要求，又要考慮結構形式簡單實用，工藝性好，以最小結構重量滿足結構強度的需要。目標采礦船舯剖面的結構材料分布范圍：主甲板：甲板板、縱骨及主要構件均采用H36的高強度鋼；外板：舷頂列板和船底板及其范圍內的縱骨采用H36的高強度鋼；舷側外板和骨材采用普通鋼；縱壁：除縱壁上列板和最下列板及其范圍內的縱骨采用H36的高強度鋼外，其余均采用普通鋼；雙層底：內底板及縱骨采用H36的高強度鋼；中間甲板：甲板板及縱骨均采用普通鋼；舯剖面模數與慣性矩設計結果見表1。

表1 舯剖面模數與慣性矩設計結果

同時，本船采用三維直接設計技術進行了舯剖面特性的復核，針對采礦船特殊布置，應對船舯0.4L區域內所包含的貨艙及月池艙兩種典型艙段結構進行強度校核，分別建立以貨艙和月池艙為目標艙的兩個三艙段模型[2]。

1)No.1貨艙+No.2貨艙+月池，No.2貨艙為目標艙。

2)No.2貨艙+月池+No.3貨艙，月池為目標艙。

采用三艙段模型計算可最大程度減小邊界條件對中間目標艙的影響，貨艙區典型剖面示意圖見圖2，月池區典型剖面示意圖見圖3，主甲板下艙室布置示意圖見圖4。

圖2 貨艙區典型剖面示意

圖3 月池區典型剖面示意

圖4 主甲板下艙室布置示意

鑒于采礦船在航行狀態下裝載和受力與礦砂船相似，采用CCS為礦砂船直接計算而設計的HCSR-TOOLS軟件建模：以縱骨間距為單元間距；外板、甲板板、縱壁板、強框架及甲板主要構件腹板等均用板單元模擬；縱骨、扶強材和主要構件面板等用梁單元模擬；上層建筑、脫水模塊、塔架、A字架等設備采用質量點的形式施加到指定位置。

模型坐標系采用右手笛卡爾坐標系：X方向為船長方向，船首方向為正，Y方向為船寬方向，左舷方向為正，Z方向為型深方向，由基線指向甲板。

鑒于采礦船特殊的作業職能，艙段有限元三維直接計算采用了以下假定。

1)采礦船貨艙內設有推平裝置，礦石在艙內堆積時非常均勻，因此，在計算貨艙貨物壓力時，不考慮礦石的休止角。

2)由于采礦船設有脫水裝置，礦石的含水率小于5%，且儲存周期小于15 d，可不考慮散貨液化效應。

3)由于貨艙主甲板下設有推平裝置和轉運裝置，導致各艙實際裝載率很低，因此，在均勻滿載工況下，各艙裝載率不超過50%。

4)采礦船在作業時會有旁靠外輸系統支持，所采礦石均是通過母船附近的散貨船進行轉運，因此,實際航行狀態下貨艙只能處于壓載狀態或者滿載狀態，不存在隔艙裝載工況。

采礦船計算載荷可參考礦砂船，主要包括船體梁載荷、舷外水壓力，波浪水動壓力，艙內礦石貨物載荷和壓載水壓力等[3]。根據采礦船裝載手冊的要求，航行狀態下包含兩種工況：正常壓載工況(取正常壓載吃水)和均勻滿載工況(貨艙裝載率約50%，取滿載吃水)。

邊界條件的設定按照CCS《礦砂船船體結構強度直接計算指南》[4]中關于貨艙區域直接強度分析中的非最首貨艙模型端部邊界條件的規定。模型及邊界條件見圖5、6。

圖5 貨艙段模型示意

圖6 月池艙段模型示意

屈服強度的校核應按照CCS《礦砂船船體結構強度直接計算指南》[4]相關應力標準進行，對于組合載荷，屈曲利用因子應小于1。

從上述引用的典型載荷工況計算結果可知：

1)貨艙橫向強框架屈服結果見圖7，相當應力最大值200 MPa；月池艙船底屈服結果見圖8，相當應力最大值276 MPa。

圖7 貨艙橫向強框架屈服結果

圖8 月池艙船底屈服結果

2)主甲板月池艙艙口角隅附近出現應力集中，相當應力最大值293 MPa，見圖9。

圖9 主甲板月池艙均勻滿載工況

3)雙層底在靠近橫艙壁處應力值較高，相當應力最大值200 MPa，見圖10。

圖10 雙層底月池艙均勻滿載工況

4)月池區橫艙壁與縱艙壁，旁桁材相交處附近區域出現應力集中，相當應力最大值216 MPa，見圖11。

圖11 月池縱壁與橫艙壁相交處

5)月池主甲板處最大屈曲利用因子為0.828，見圖12；月池區舷頂列板和縱艙壁最大屈曲利用因子較大，分別為0.926和0.962，見圖13、圖14。

圖12 月池主甲板最大屈曲利用因子

圖13 月池縱艙壁最大屈曲利用因子

圖14 月池舷側外板最大屈曲利用因子

2 局部強度設計

采礦船典型區域的局部強度設計包含以下三部分內容：作業區域主甲板構件設計、作業區域月池結構設計、作業區域塔架支撐結構設計。

2.1 作業區域主甲板構件設計

采礦船作業區主甲板構件設計的難點在于貨艙區主要構件下方設置推平裝置占據了大量空間，為保障裝載率需對桁材腹板高度進行優化設計。主要構件設計的首要任務是選取合理的甲板設計載荷。現行規范僅對工作處所，生活區及貯物區甲板設計載荷有明確規定[5-6]，作業區則很少提及。依托項目甲板上布置了采礦設備及附屬電纜、輔助集裝箱、作業模塊等，在航行工況和在位工況(采礦船航行工況以外的設計工況)船體發生橫搖和縱搖將導致載荷的增大，因此，甲板載荷設計應考慮為甲板靜載荷與動載荷的組合。綜上分析，本目標船甲板載荷設計依據主甲板實際承載重量，并考慮復雜作業環境因素所導致的載荷動力放大系數，同時借鑒國外相近尺度采礦船的設計經驗最終確定甲板設計載荷為100 kPa。

采用三維直接設計技術選取主要構件時，首先要參照與之類似的甲板結構，并根據設計經驗對構件規格做適當調整作為建模的初始輸入。模型縱向范圍為貨艙段前后端壁，橫向采用全寬模型，邊界條件按簡支處理，甲板板按照面載荷100 kPa來施加。從結果來看,相當應力最大值為184 MPa，滿足規范強度要求[5]，主甲板應力云圖見圖15。

圖15 主甲板應力云圖

圖16 梁系計算模型及加載

在腹板板厚和面板取值相同的前提下，后者腹板高度取值僅為梁系計算的一半，可見在主要構件優化設計方面，三維直接設計技術具有明顯優勢；梁系直接計算雖然方法簡便，但構件尺寸取值偏于保守，容易造成結構重量增加且材料利用率不高。

2.2 作業區域月池附近結構設計

作為關鍵區域的月池結構，本文采用三維直接計算技術建立模型進行局部強度分析。模型縱向范圍為前后艙壁各向外擴展一個強框間距，針對個別工況下載荷可能存在左右舷不對稱情況，橫向采用全寬模型(有限元模型見圖7)，模型加載參照CCS《礦砂船船體結構強度直接計算指南》，主要包括內部載荷、外部載荷和船體梁載荷等。選取板單元相當應力UC值和主要構件最大屈曲利用因子較大的工況分析發現：

1)圖9月池艙艙口角隅附近出現了應力集中，UC值達到0.958，對于應力集中區域，可考慮優化開孔區域形式和嵌入厚板的設計方式，并提高鋼級，后續設計還應重點校核角隅處的疲勞強度[7-8]。

2)圖10雙層底在靠近橫艙壁處應力值較高，UC值達到0.909，從布置上橫艙壁前后兩側分別為隔離空艙和貨艙，從而導致艙壁兩邊壓差較大，該區域的局部強度問題比較突出。主甲板和雙層底最大應力均出現在均勻滿載工況，因此，均勻滿載工況在采礦船艙段屈服強度校核中為主控工況。

3)圖11月池區橫艙壁與縱艙壁，旁桁材相交處截面突變導致應力集中，可考慮該區域局部板提高鋼級并做加厚處理。另外貨艙縱壁和內底板直角相交處應力值較高，由于采礦船貨艙內設有推平裝置，布置上無法實現類似礦砂船內底板傾斜式過渡，這是兩型船在結構構造上的差異所導致的。此外縱艙壁與橫艙壁相交附近的屈曲問題也要重點關注，因該區域受到比較大的船體梁剪力[9]。

4)圖13、14屈曲應力值比較高(最大屈曲利用因子比較大)的區域主要集中在月池區舷頂列板和縱艙壁板，因該區域在中垂狀態下承受比較大的船體梁彎曲壓應力[10]。

2.3 塔架支撐結構設計

作為關鍵設備的塔架，其加強設計不僅關系到目標船能否實現采礦功能，還關系到船舶營運的安全。

塔架局部強度分析采用三維直接設計技術，模型縱向范圍根據基座腹板下加強位置向外再擴展一個強框范圍，橫向范圍剛好截斷在左右舷縱艙壁處，垂向上由主甲板向下延伸一層甲板。應力校核區域采用細網格，網格大小約為150 mm×150 mm，向外逐漸過渡到350 mm×350 mm。采用細網格建模的目的：①準確模擬塔架基座的形狀；②計算結果能夠反映實際結構真實的應力分布[11]。

塔架主要功能是支撐揚礦軟管、揚礦硬管和水下中繼站等，主要受力包括設備作業產生的功能性載荷、固定載荷、環境載荷等；其中固定載荷包括塔架自身的重量、輔助舾裝件及電纜等附件的重量；環境載荷包含風載荷、船體運動載荷、冰雪載荷等[12]。所受載荷通過腳點處連接基座傳遞給主船體結構，腳點設計載荷一般由設備商提供，計算時通過模型頂端的MPC單元主節點上加載節點力和彎矩來實現，單元類型為RBE2。屈服強度校核衡準按照CCS《海上移動平臺入級規范》來進行。

由于四個腳點位于主甲板月池開口角隅附近，根據艙段有限元分析結果可知：該區域為高載荷、高應力區域，結構設計上應重點關注屈服強度和疲勞強度及應力集中問題。鑒于塔架設計載荷在X、Y、Z3個方向上均受到較大的集中力和彎矩，因此，基座及甲板加強結構均采用H36的高強度鋼并作加厚處理，以確保結構在各方向上都具有足夠的強度和剛度儲備。節點處理方面，基座肘板使用軟趾形式減少應力集中程度，緩解疲勞強度問題。焊接強度方面，基座腹板與面板，基座腹板與甲板板為高應力區域，焊接形式采用全焊透。布置方面，塔架四個腳點均落在縱橫艙壁交叉處，目的是讓所受載荷能比較有效進行傳遞，使受力區域整體強度和剛度情況較為理想。典型工況相當應力分布見圖17，從分析結果來看，各工況相當應力最大值為154 MPa，強度滿足規范要求，基座結構應力分布均勻。由此可見，基于艙段有限元分析，對塔架支撐結構設計采取有針對性措施有效解決了屈服和應力集中問題，也盡可能避免了后期關鍵節點產生疲勞強度問題。

圖17 典型工況相當應力分布云圖

3 結論

1)采礦船在位工況具體分為布放工況、作業工況、轉運工況及生存工況。這些都是典型的海工裝置所具有的結構設計特征，采用三維直接計算設計技術確定主要構件規格是作為特殊船型開發的有效保障。

2)采礦船由于設有月池艙，導致艙段有限元模型有其自身的特點；艙段有限元模型分析技術雖然已經非常成熟，但就本目標船而言，重點在于依據艙段有限元分析結果，依次對特殊結構區域進行個性化定制設計。

3)三維直接設計分析技術不僅可以復核和優化結構設計，更重要的是針對深海采礦船，初始階段就能通過分析結果對局部設計存在的問題進行預判，并采取針對性措施獲得較為安全的設計方案，從而降低了結構設計風險。