深吃水半潛運輸船結構設計流程及方法

劉紫嫣，劉美彤，曹 宇，崔海朋

(1. 上海船舶研究設計院，上海 201203；2. 上海海洋大學，上海 201306；3. 青島杰瑞工控技術有限公司，山東 青島 266061)

0 引 言

大型半潛運輸船的型寬較大，具有優秀的甲板載貨面積和出色的承載能力，能滿足日益增加的超大型海上設備運輸的需求，通過融入下潛技術，使需要裝運的設備可以直接到達運貨甲板，再通過上浮完成裝填任務[1]。長期以來半潛船運輸模式比較少，荷蘭的Dockwise公司幾乎壟斷了全球半潛船航運市場[2]，隨著近20年來中國的船舶設計技術提升，超大載重噸位的深吃水半潛運輸船已可實現自主設計。深吃水半潛運輸船較常規運輸船型貨物特殊，種類繁多，裝載及作業工況多，結構載荷大，如何保證深吃水半潛運輸船的安全，提升運輸能力，是結構設計的重要目標之一。

半潛船的設計規范和方法，國外已開展了大量研究，但各國船級社給出的設計流程及方法還不統一，較為籠統。DNV GL船級社針對半潛式運輸船的總體結構設計有專門的設計規范章節[3], ABS船級社對半潛式運輸船的結構設計也有相關論述[4]。

國內關于深吃水半潛運輸船的設計和建造經驗相對較少，尚未形成專門的設計規范，只在通用鋼質海船入級規范的半潛船章節有簡單介紹[5]。桂滿海[6]以我國首艘自主研發的半潛船“希望之路”號為例，介紹了半潛船特有的船舶性能及特點；田明琦等[7]從半潛運輸船的設計出發，介紹了50 000噸級以上大型半潛運輸船的船型特點和市場情況，并闡述了半潛船的常規設計方法和作業原理；李曉君等[8]分析了極地半潛船設計存在的問題，提出了半潛船在冰區加強、重大件擺放及綁扎強度等方面的設計方法。本文通過介紹深吃水半潛船結構設計流程，闡述設計流程中的重要環節及關鍵技術，為大型半潛船設計、強度校核提供參考。

1 主要關鍵技術

1.1 直接計算法

《CCS鋼質海船入級規范》里給出了常規運輸船波浪載荷計算公式（1）～式（4），船體各橫剖面的中拱

波浪彎矩MW(+) 和 中垂波浪彎矩MW(-)應用下式計算：

式中：M為彎矩分布系數；L為 船長；B為船寬；Cb為方形系數；C為船長系數。

船體各橫剖面的中拱波浪切力FW(+)和中垂波浪切力MW(-)應用下式計算：

但因大型深吃水半潛運輸船的型寬較常規船大，通常船長/型寬≤5，型寬/型深比≥2.5，不完全滿足CCS規范的波浪彎矩及剪力公式的使用條件，需要采用直接計算法進行波浪載荷計算[5]。

1.2 非均勻載荷強度校核

CCS規范要求，在校核船中區域的橫向強度時，應包括半潛船典型的作業工況，其中包含下潛工況和航行工況。深吃水半潛運輸船甲板有多種承載方式，如圖1所示。包括甲板點載荷、線載荷、面載荷等類型，載荷種類不同，加載位置多樣會產生很多種工況，校核的工作量比較大。

圖1 甲板不同載荷類型施加模型Fig. 1 Different load model types on deck

1.3 結構設計流程

基于多年大型半潛運輸船的實際設計經驗，應用直接計算方法及有限元方法分析深吃水半潛運輸船結構設計強度問題，量化考慮非均勻載荷對結構設計的影響，建立一套深吃水半潛運輸船深吃水半潛運輸船結構設計流程，主要如圖2所示。

圖2 深吃水半潛運輸船結構設計流程Fig. 2 The structural design process of deep draft semi-submersible transport vessel

2 65 000噸級半潛運輸船結構設計實例

近年來，國內50 000噸級以上的大型深吃水半潛運輸船在噸位和數量上已經趕超了荷蘭Dockwise公司，本文以典型65 000噸級大型深吃水半潛運輸船為例，介紹深吃水半潛運輸船深吃水半潛運輸船結構設計流程，闡述各階段設計中的具體方法和關鍵技術。

2.1 主要布置特點

65 000噸級大型深吃水半潛運輸船是典型的三島式半潛船，尾部兩舷各設置一個可拆卸式浮箱，方便尾部上貨，首部布置首樓和上層建筑，設有首、尾2個機艙，雙槳雙舵，主船體除機艙外均設置壓載水艙，確保足夠的載重能力，總布置如圖3所示。該船需滿足CCS規范，無限航區，浮冰級冰區航行。其主尺度參數如下：總長231.1 m，露天承載甲板長192 m，型寬46 m，型深14.5 m，下潛深度27.5 m，設計吃水

10.9 m。

圖3 65 000噸級半潛運輸船總布置圖Fig. 3 General arrangement of 65 000 t semi-submersible transport vessel

2.2 中橫剖面圖設計

深吃水半潛運輸船的中橫剖面圖設計，雖與常規船型相似，但有其自身的特殊性。例如特殊的波浪載荷計算方法，沉浮工況下中橫剖面強度單獨校核以及非均勻載荷有限元強度分析等。

2.2.1 波浪載荷計算

65 000噸級深吃水半潛運輸船屬于典型的寬扁船型，不完全滿足CCS規范的波浪彎矩及剪力公式的使用條件，需要采用直接計算法進行波浪載荷計算。基于CCS船級社波浪載荷計算軟件Compass-Walcs-Basic，校核滿載出港及壓載到港2種工況，通過計算波浪彎矩及波浪剪力的頻率響應函數（RAO），基于北大西洋海環境IACS Rec. 34波浪統計資料進行長期預報，根據CCS規范要求進行非線性修正，得到2種裝載工況下的波浪彎矩和波浪剪力如圖4～圖7所示。

圖4 滿載出港工況垂向波浪彎矩Fig. 4 Vertical wave bending moment under full load departure condition

圖5 滿載出港工況垂向波浪剪力Fig. 5 Vertical wave shear force under full load departure condition

圖6 壓載到港工況垂向波浪彎矩Fig. 6 Vertical wave bending moment under ballast arrival condition

圖7 壓載到港工況垂向波浪剪力Fig. 7 Vertical wave shear force under ballast arrival condition

經過非線性修正后，船中處波浪彎矩值為4 294 000 kN·m和-4 655 000 kN·m，波浪剪力值72 790 kN和-79 060 kN。而采用CCS規范經驗式(1)～式(4)計算出的波浪彎矩值為3 539 000 kN·m和3 845 000 kN·m，波浪剪力值39 620 kN和-43 040 kN。經對比，水動力直接計算出的波浪彎矩要比規范計算值大了約21%，而剪力則大了約83.7%。可見，經驗公式計算出波浪載荷與實際船遭受的波浪載荷偏差較大。

2.2.2 中橫剖面強度校核

1）總縱強度

經過設計本船中橫剖面如圖8所示，3道縱艙壁能很好保證船體的剛性，強框三檔肋距設置，壓載艙均為斜底，縮短排壓載時間，減少艙內積水。主船體構件全部采用了H36的高鋼。

圖8 中橫剖面圖Fig. 8 Midship section

與常規半潛船主甲板為普通鋼不同，該船型由于總縱載荷較大，為避免主甲板過厚，主甲板材料取H36的高鋼。如果設計過程半潛船在主甲板計算板厚不大，普通鋼仍是首選。

依據CCS規范，半潛船在常規作業工況下，波浪載荷可取水動力計算載荷的50%，在港口裝卸貨工況下，波浪載荷可取20%，由于不同船級社對不同船型、不同工況的波浪載荷計入百分比也不同，設計時需加注意。

2）局部強度

半潛船的貨物裝卸除了吊裝、滾裝、滑裝還需要考慮一種特殊方式：漂浮裝卸，即通過調整壓載水量實現下潛和上浮從而完成貨物的裝載。半潛船下潛主要利用壓載泵和自身重力2種方式，不同的壓載水操作方式也會帶來局部構件的尺寸差異。該船型下潛時采用重力式輔助負壓吸引吸入壓載水，不僅節約能源還能減小構件的計算壓力，減輕重量，上浮采用了壓縮空氣排壓載，局部構件承載需要額外考慮壓縮空氣的壓力值。

通過總縱強度和局部強度計算，加上必要的剖面設計繪圖和節點詳圖，基本可以完成典型橫剖面圖設計及強度校核。

2.3 非均勻載荷有限元強度分析

根據CCS規范中橫剖面的強度主要考核航行正浮狀態，航行橫搖狀態以及下潛狀態，其中壓載水和甲板載荷布置方式如表1所示。

表1 壓載水和甲板載荷布置方式Tab. 1 Arrangement of ballast water and deck load

典型艙段有限元模型如圖9所示。

計算結果如圖10所示。最危險工況出現在航行橫搖狀態，橫向加強框腹板靠近主甲板處應力較高，最大達到207.71MPa，主要原因是主甲板均布載荷較大，需要對16mm的板厚進行局部加厚，橫向加強框補強方案如圖11所示。

圖10 橫向加強框應力分析結果Fig. 10 Stress analysis results of transverse reinforced frame

圖11 橫向加強框補強方案Fig. 11 Strengthen scheme of transverse reinforced frame

對于非均勻載荷強度校核，根據該船型的貨物裝載方式設置6種甲板線載荷極限工況：1）船中連續3個橫向強框同時施加125 t/m的線載荷；2）艙壁位置及其前后各1個橫向強框，同時出現線載荷，其中艙壁為250 t/m，橫梁為125 t/m；3）艙壁前的3個橫向強框同時施加125 t/m的線載荷；4）在艙段中間，橫向5個縱向艙壁，每個縱艙壁同時作用5 m長的線載荷；5）在橫艙壁位置，以橫艙壁為中心，橫向5個縱向艙壁，同時作用5 m長的線載荷；6）艙壁前每個縱艙壁同時作用5 m長的線載荷。選取連續3個艙段進行校核，如圖12所示。

圖12 連續三艙段有限元模型Fig. 12 FE model of continuous three cabin

經過分析表明縱向加載的線載荷疊加總縱載荷后，主要影響3道縱艙壁最上列板厚和舷頂列板板厚。橫向加載主要影響靠近主甲板處橫艙壁及橫向強框的板厚。

3 結 語

以65 000噸級深吃水半潛運輸船為例，介紹具有超大型海上設備運輸能力的半潛船在結構設計分析中的基本流程與方法，主要結論如下：

1）由于大型半潛運輸船運載設備體積需求大及下潛吃水深的特點，船體中橫剖面設計、波浪彎矩及剪力計算以及不均勻裝載強度計算均與常規運輸船有一定的特殊性。

2）應用直接計算方法及有限元方法分析深吃水半潛運輸船結構設計強度問題，量化考慮非均勻載荷對結構設計的影響，建立一套深吃水半潛運輸船深吃水半潛運輸船結構設計流程，該設計流程符合工程設計的實際需求。

3）船體結構設計在大型半潛運輸船設計中最為基礎和關鍵。