半潛式游艇運輸船結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度分析方法

吳迪，韓永興，吳坤

(中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264670)

游艇和相關(guān)產(chǎn)業(yè)在我國有著十分廣闊的發(fā)展前景。絕大多數(shù)游艇并不適合長途的遠(yuǎn)洋航行，通常是將游艇通過船運的方式提前送到目的，專門的游艇運輸船日益受到重視。2007年，煙臺來佛士船業(yè)有限公司為荷蘭DOCKWISE(DYT)公司建造了世界第一艘半潛式游艇專用運輸船“游艇特快”號，總長209.34 m，下潛最大吃水22 m，總載重量12 500 t，專用于豪華游艇的跨洋運輸。已經(jīng)建成的半潛式游艇運輸船數(shù)量少，完備的母型船資料少，此類船型結(jié)構(gòu)設(shè)計有不少問題需要探討。為此，結(jié)合某半潛式游艇運輸船的船體設(shè)計特點進(jìn)行分析討論。

1 總布置及主尺度

所述半潛式游艇運輸船采用單一貨艙敞口設(shè)計，貨物甲板高度(距離基線，下同)5.9 m，距離滿載航行時水線面很近，由于所運載的游艇屬于高價值的貨品，該船設(shè)計了舷側(cè)結(jié)構(gòu)和尾門結(jié)構(gòu)來保護(hù)貨物甲板上的游艇在運輸過程中不受風(fēng)浪侵蝕和損害。該船干舷甲板高度13.5 m，艉門在航行過程保持水密關(guān)閉狀態(tài)。最大半潛深度為13.5 m，半潛操作應(yīng)在限定海況下進(jìn)行，具體參考船級符號中的描述性部分。該船沒有設(shè)置大型起重設(shè)備，在半潛狀態(tài)下，游艇可依靠自身動力或通過牽引的方式從艉部進(jìn)入運輸船(此時艉門打開)，然后運輸船上浮，艉門關(guān)閉，固定游艇后開啟航程。其主尺度及總布置如下。

總長：213.7 m；設(shè)計吃水：4.6 m；

垂線間長：204.6 m；結(jié)構(gòu)吃水：5.2 m；

最大型寬：46 m；方形系數(shù)：0.664；

型深(貨物甲板)：5.9 m；最大下潛深度：13.5 m；

型深(主甲板/干舷甲板)：13.5 m。

該船入級英國勞氏船級社，船級符號為：LR?100A1 Strengthened for Heavy Cargoes, Hatch Covers omitted in Hold, ShipRight ACS(B),*IWS, LI,?LMC, UMS, PSMR, CCS, NAV1, with the descriptive notes “Semi-Submersible to a maximum draught of 13.5m with a significant wave height of no more than 1.25m, ShipRight(BWMP(T), IHM-EU, SCM)

2 船體結(jié)構(gòu)

與常規(guī)的半潛船的作業(yè)特點[1]類似，半潛式游艇運輸船要做到能潛能浮。浮力和重力的平衡是設(shè)計重點。通常船體結(jié)構(gòu)的重量占空船重量的比例很高，對于本船來說，結(jié)構(gòu)重量占比接近80%。因此，準(zhǔn)確估算船體結(jié)構(gòu)重量并在整個設(shè)計過程中進(jìn)行跟蹤和控制是非常必要的。

由于游艇是通過橫向(沿船寬方向)的拉索固定，拉索另一端固定在船體內(nèi)殼，為避免船體結(jié)構(gòu)變形過大導(dǎo)致的拉索過載和對游艇的破壞，船體結(jié)構(gòu)變形尤其是橫向的變形也是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計階段可根據(jù)全船有限元得到的絕對變形結(jié)果來推算出相對變形。

圖1 游艇運輸船總布置示意

2.1 中橫剖面

船體中橫剖面的確定是結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足船舶總縱強(qiáng)度和確保游艇運輸船功能實施的基礎(chǔ)。中橫剖面上構(gòu)件的布置既要考慮到結(jié)構(gòu)功能的合理性，又要使其結(jié)構(gòu)形式最簡單，施工最方便，還要滿足船體強(qiáng)度和剛度的要求。因此，中橫剖面設(shè)計應(yīng)綜合考慮載荷(設(shè)計靜水彎矩、波浪彎矩和局部載荷)、骨架形式、骨材形式選取和骨材間距、材料選擇等因素。

該船貨艙區(qū)采用縱骨架式，每四檔設(shè)置橫向強(qiáng)框。考慮到底部是雙層底結(jié)構(gòu)，船體梁的中和軸更靠近底部，設(shè)計的船底板厚14 mm(AH36)相對比較小，因此縱骨間距取為600 mm(相對于同尺度的貨船來說偏小)，這對船底板的屈曲承載能力有好處。17.6 m高度的強(qiáng)力甲板由于寬度比較窄，采用箱式結(jié)構(gòu)以更好地滿足總縱強(qiáng)度的要求。由于需要經(jīng)常進(jìn)行安裝拆卸綁扎件等操作，貨物甲板將反復(fù)承受焊接和氣刨，甲板額外增加了厚度。貨物甲板下方1.95 m處設(shè)置一層非水密的操作平臺，方便檢修人員在該平臺對貨物甲板的下表面進(jìn)行檢修、補漆等操作。貨物甲板下方右側(cè)靠近中心線處設(shè)置一條通道，可以從艉部機(jī)艙通行至艏部機(jī)械處所，通道的高度不僅能滿足人員行走和電纜布置等需求，還可通行小型叉車。典型的中橫剖面見圖2。

圖2 典型中橫剖面

2.2 貨物甲板的設(shè)計載荷

該船主要運載貨物是游艇，同時兼具常規(guī)甲板運輸船的功能，貨物甲板的結(jié)構(gòu)設(shè)計時除了要考慮下潛時的水壓頭，還應(yīng)考慮每一種局部載荷并按照船級社規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行計算。

1)均布載荷：20 t/m2。

2)線載荷(船中和距中10.8 m的縱艙壁處):40 t/m。

3)車輛載荷，例如叉車、小汽車和貨車等，典型的車輛載荷見圖3。

圖3 貨物甲板上典型車輛載荷示意

3 波浪載荷預(yù)報

3.1 計算參數(shù)

該船為了裝載游艇的需要，船寬比較寬，船長/船寬<5，船寬/型深>2.5，采用直接計算的方法預(yù)報波浪載荷[2]。該船設(shè)計為無限航區(qū)，選取北大西洋波浪散布圖進(jìn)行長期預(yù)報[3]，波浪譜選用P-M譜。超越概率取為10-8，該數(shù)值大致對應(yīng)于20年一遇波浪的設(shè)計值。浪向在0° ～180°之間，步長30°，共7個浪向，其中0°為迎浪方向。計算采用勞氏船級社的軟件PRETTI，選取裝載手冊中3種典型裝載情況進(jìn)行預(yù)報。

1)LC01，壓載出港，對應(yīng)最大的靜水彎矩。

2)LC03，滿載出港，對應(yīng)最大吃水。

3)LC17，單側(cè)裝載800 t貨物出港，對應(yīng)最大靜水轉(zhuǎn)矩。

水動力計算模型見圖4，模型中構(gòu)建虛擬的甲板用以消除數(shù)值計算中的奇異頻率問題。

圖4 游艇運輸船水動力模型

3.2 計算結(jié)果

通過線性波浪理論得到的波浪彎矩和波浪剪力應(yīng)按規(guī)范要求進(jìn)行非線性修正，根據(jù)船級社的要求[4]，設(shè)計波浪彎矩和剪力的最大值不能小于規(guī)范值。結(jié)果見表1。該船波浪預(yù)報得到的中拱彎矩小于規(guī)范值，中垂彎矩的絕對值大于規(guī)范值。波浪預(yù)報得到的垂向剪力的絕對值均大于規(guī)范值。

表1 波浪載荷預(yù)報值與規(guī)范值對比

4 全船有限元分析

4.1 設(shè)計波法

該船是敞口結(jié)構(gòu)并且只有一個貨艙，不是常規(guī)船型也沒有相關(guān)的有限元計算指南。考慮整船的扭轉(zhuǎn)需要用全船有限元來進(jìn)行強(qiáng)度分析。由于沒有疲勞分析的船級符號，有限元分析需要進(jìn)行粗網(wǎng)格的應(yīng)力、屈曲和局部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格細(xì)化分析三個部分。根據(jù)該游艇運輸船的特點，為了得到船體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力，對于3.1節(jié)中提到的每一種典型的裝載將提供三種(迎浪、斜浪和橫浪)由不同浪向組合成的典型工況來進(jìn)行計算。

1)迎浪工況，靜水彎矩和波浪彎矩(中拱+中垂)沿著船長方向都達(dá)到設(shè)計值和預(yù)報值，浪向角為0°。

2)斜浪工況，0.4L(在船長方向與FR0的距離，下同)處波浪扭矩最大，浪向角120°。1個波浪周期分為20個步長，每1步計算1個工況。

3)橫浪工況，橫搖角最大，浪向角90°。把1個波浪周期分為20個步長，每1步計算1個工況。

4)橫浪工況，水線面位置最大動壓力，有3種設(shè)計波。

①0.25L處水線面位置最大動壓力，浪向角90°。把1個波浪周期分為60個步長，每1步計算1個工況。

②0.5L處水線面位置最大動壓力，浪向角90°。把1個波浪周期分為60個步長，每1步計算1個工況。

③0.75L處水線面位置最大動壓力，浪向角90°。把1個波浪周期分為60個步長，每1步計算1個工況。

可以看出，對應(yīng)于3.1節(jié)中3種典型裝載情況，計算有限元工況總數(shù)量為306個工況。

4.2 全船有限元模型及邊界條件

全船有限元粗網(wǎng)格模型見圖5，模型中采用了板單元和梁單元，網(wǎng)格尺寸按照縱骨間距和肋距進(jìn)行劃分。需要說明的是該模型是用來評估貨艙區(qū)(FR102朝前)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其距離艉門超過60 m，航行時處于關(guān)閉狀態(tài)的艉門對貨艙區(qū)船體結(jié)構(gòu)的影響可以忽略，因此模型中尾門結(jié)構(gòu)沒有建模。空船質(zhì)量通過在實際結(jié)構(gòu)上添加質(zhì)量點來模擬鋼料、舾裝和小設(shè)備的質(zhì)量。大設(shè)備包括艉門采用質(zhì)量單元來模擬，質(zhì)量單元通過虛擬結(jié)構(gòu)和實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。靜水壓力按計算工況的吃水，作用在船體外部濕表面。預(yù)報得到的波浪載荷通過作用于船體外部濕表面的壓力來實現(xiàn)。預(yù)報得到的慣性力以慣性加速度的方式，作用在整個模型上。

圖5 全船有限元模型

邊界條件采用慣性釋放的方法，該方法的應(yīng)用前提是慣性釋放之前整個系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到近似的平衡狀態(tài)，其整體不平衡力應(yīng)滿足：在迎浪狀態(tài)下，不超過對應(yīng)排水量的1%；橫浪及斜浪狀態(tài)，不超過對應(yīng)排水量的2%。

4.3 全船有限元分析結(jié)果

該船的全船有限元分析的工況較多，典型的應(yīng)力和變形見圖6、7，對于計算得到應(yīng)力較大的位置，是由于網(wǎng)格不規(guī)則或是應(yīng)力集中所產(chǎn)生，需要做進(jìn)一步的分析。

圖6 合成應(yīng)力結(jié)果-水線面處最大動壓力工況

圖7 變形結(jié)果-斜浪工況

對于全船有限元的分析結(jié)果，經(jīng)過匯總所有的計算工況后發(fā)現(xiàn)，貨艙區(qū)的船體板屈曲強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求的情況較多，可以看出2.1節(jié)中提到的較小的骨材間距對本船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有益。

下面給出典型的不滿足規(guī)范的位置和所采取的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方式。

1)船底板屈曲強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，見圖8(加強(qiáng)之前的計算結(jié)果，圖中高亮部分為不滿足的規(guī)范的區(qū)域，下同)。加強(qiáng)方式：加大船底板厚度。

圖8 船底板屈曲結(jié)果

2)煙囪外板(位于主船體舷頂列板上方)屈曲強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，見圖9。加強(qiáng)方式：加大板厚并增加防止屈曲的加強(qiáng)筋。

圖9 煙囪外板屈曲結(jié)果

3)強(qiáng)力甲板17.6 m和主甲板13.5 m的艙口間甲板屈曲強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，見圖10和圖11。加強(qiáng)方式：加大板厚并增加防止屈曲的加強(qiáng)筋。

圖10 17.6 m強(qiáng)力甲板屈曲結(jié)果

圖11 13.5 m主甲板的屈曲結(jié)果

4.4 局部結(jié)構(gòu)處的細(xì)化分析

對于本船來說，局部應(yīng)力集中問題同樣需要關(guān)注，例如艙口角隅(由于單一貨艙及敞口結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的應(yīng)力集中)，強(qiáng)力甲板/縱艙壁和外板上的大開孔等位置。采用局部細(xì)化模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)詳細(xì)分析，根據(jù)船級社的要求[5]，細(xì)化網(wǎng)格尺寸設(shè)定為50 mm×50 mm，采用子模型的方法。典型的局部結(jié)構(gòu)細(xì)化模型和相應(yīng)計算結(jié)果見圖12、13及表2。

圖12 艙口角隅及甲板大開孔處細(xì)化模型

圖13 縱艙壁大開孔處細(xì)化模型

表2 細(xì)化網(wǎng)格計算結(jié)果 kPa

5 結(jié)論

1)此類型船通常船寬很大，尺度比不滿足規(guī)范的適用要求，波浪載荷需要采用直接計算方法來預(yù)報。該船波浪預(yù)報得到的中拱彎矩小于規(guī)范值，中垂彎矩和垂向剪力的絕對值均大于規(guī)范值。

2)考慮整船的扭轉(zhuǎn)，需要用全船有限元來進(jìn)行強(qiáng)度分析。分析結(jié)果表明，船體板屈曲強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求的情況較多，較小的骨材間距對本船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有益。

3)局部應(yīng)力集中位置(例如艙口角隅，強(qiáng)力甲板/縱艙壁和外板上的大開孔等)需要采用細(xì)化網(wǎng)格的方法進(jìn)行計算。