趙夕濱，楊 玥，何 迪，周 佳

（1. 中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011；2. 中船第九設(shè)計研究院，上海 200063）

0 引 言

隨著國家對海洋資源開發(fā)日益重視，在國家“十二五”海洋科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中明確“開發(fā)海洋及海岸工程技術(shù)”作為重點任務(wù)之一。近年來，我國科技界、造船界在海洋工作平臺方面進(jìn)行了大量的研究工作，為海洋開發(fā)建設(shè)提出了多種施工保障方案，但都存在制造成本高、開發(fā)周期較長等問題，未能達(dá)到投產(chǎn)階段。應(yīng)對上述需求，提出了在2條已有貨船上加裝連接橋的改裝方案，建成具備施工保障功能的海洋浮式結(jié)構(gòu)——雙體式平臺。該方案具備可行性，同時具有制造周期短、成本低、對環(huán)境影響小等優(yōu)點。

1 雙體式平臺結(jié)構(gòu)改造方案

平臺由2艘散貨船改造而成，平臺結(jié)構(gòu)形式可以看作2個縱骨架結(jié)構(gòu)的獨立船體與連接橋結(jié)構(gòu)組合而成（見圖1）。

雙體式平臺的縱搖、垂蕩、縱向加速度除了在斜浪方向時，由于連接橋的存在，2個船體間有相互影響外，與原散貨船基本相差不大；但是由于雙體式平臺橫穩(wěn)性比原散貨船高許多，導(dǎo)致其橫搖以及橫向加速度與原散貨船的性能差異較大。

連接橋顯然是平臺主體的重要組成部分，但除非在較為極端的海況條件下，會遭受抨擊和上浪，一般不直接受靜水和波浪的水壓力作用，除自身的結(jié)構(gòu)及設(shè)備重量外，受到的載荷主要由左右側(cè)體在靜水和波浪中水壓力的分布和差異造成。當(dāng)2個側(cè)體分別受到的波動壓力與當(dāng)時的運動狀態(tài)下的自身重量、慣性力不能平衡時，就會相對于原來的平衡位置發(fā)生偏移或轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致連接橋會間接承受一定的波浪載荷，從而產(chǎn)生了剪力、彎矩以及扭矩[1]。

因此，從理論分析著手，為保證連接橋與兩側(cè)船體間載荷的更好傳遞，并考慮到改造的經(jīng)濟(jì)性以及連接橋的載荷分布情況，僅將原散貨船的艏艉4道艙壁與連接橋橫骨架對應(yīng)，并全部更換，中間3道艙壁與連接橋橫艙壁錯開，僅做局部加強（見圖2）[2,3]。

圖1 雙體式開發(fā)平臺橫剖面

圖2 連接橋設(shè)計

2 運動響應(yīng)數(shù)值分析

基于三維線性繞輻射勢流理論[4]進(jìn)行運動性能和載荷預(yù)報，使用JONSWAP波浪譜，根據(jù)運動和載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)和作業(yè)區(qū)域波浪統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行長期預(yù)報，從而得出平臺的運動性能和波浪載荷預(yù)報值。并對該平臺進(jìn)行頻域下的運動響應(yīng)數(shù)值分析，利用DNV-GL船級社的SESAM-GENIE軟件，建立三維水動力模型，包括濕表面模型和質(zhì)量模型（見圖3、4）。

圖3 三維濕表面模型

圖4 作業(yè)工況質(zhì)量模型

采用DNV-GL船級社的SESAM-WADAM軟件，求出橫搖、縱搖、垂蕩以及甲板以上某處的橫向和縱向加速度在每個浪向和周期的響應(yīng)傳遞函數(shù)（RAO）（見圖5～7）。其中縱搖RAO在6s左右還有一個較大的峰值，與普通船型有差異，這是由于雙體造成的影響。

獲得各項運動性能的RAO后，進(jìn)行長期極值預(yù)報。參照英國海事技術(shù)公司（BMT）的《全球波浪統(tǒng)計》中該作業(yè)海域的波浪散布圖[5]。計算時船首為NE向時，選取JONSWAP譜作為波浪譜。選取一年一遇的波浪載荷幅值作為作業(yè)工況波浪力的長期極值（見表1）。除橫搖不滿足作業(yè)時要求的＜4°之外，其他運動性能均滿足設(shè)計要求。

圖5 橫搖RAO

圖6 縱搖RAO

圖7 升沉RAO

表1 平臺運動性能長期預(yù)報

3 作業(yè)窗口分析

由于該平臺是由兩條散貨船改裝，具有施工周期短、成本低優(yōu)點的同時，也存在犧牲橫搖運動性能的問題。通過運動響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)該平臺的橫搖固有周期與作業(yè)所處海域的波浪周期存在一定的耦合，這是由于該平臺的水線面積較大，橫穩(wěn)心高度較高造成。但是該平臺設(shè)備作業(yè)對橫搖角度要求，僅為4°，所以針對橫搖的運動性能，進(jìn)行允許作業(yè)的窗口時間分析，以確定可作業(yè)環(huán)境條件區(qū)間，并評估該平臺的作業(yè)性能。

按照作業(yè)海域全年波浪散布圖中每個波高、周期、浪向組合的波浪針對橫搖進(jìn)行短期預(yù)報。選取JONSWAP譜作為波浪譜。得到各個波高、周期、浪向組合的平臺橫搖運動的短期預(yù)報值。如果在一個波高、周期組合的環(huán)境條件下所有浪向的橫搖預(yù)報值都不超過4°，即視為滿足作業(yè)條件，見表2中陰影部分，都滿足作業(yè)要求，概率為93.8%。根據(jù)每個季節(jié)的不同海況，同樣可得出各季節(jié)平臺的作業(yè)窗口（見圖8）。

表2 作業(yè)窗口

圖8 各季節(jié)作業(yè)窗口

4 總強度分析

4.1 設(shè)計載荷分析及設(shè)計波確定

根據(jù)該雙體式平臺的受力及變形模式，并參照相關(guān)規(guī)范的要求，確定5個設(shè)計載荷作為控制載荷，基于譜分析原理，確定設(shè)計載荷對應(yīng)的設(shè)計波。該平臺的設(shè)計載荷分別為：橫向分離力、扭矩、縱向剪切力、垂向波浪彎矩和橫向分離矩[6,7]。通過剖面積分得到各設(shè)計載荷在每個浪向和周期下的RAO，以橫向分離力和扭矩為例（見圖9、10）。

圖9 橫向分離力RAO

圖10 扭矩RAO

在獲得各項載荷的RAO后，對平臺生存工況下的設(shè)計載荷進(jìn)行長期預(yù)報，求出100a一遇的各設(shè)計載荷值，并確定各設(shè)計波參數(shù)（見表3）。

表3 平臺生存工況下設(shè)計波參數(shù)

4.2 總強度校核及結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域加強

總強度評估時，先在HYDROD中用已經(jīng)確定的設(shè)計波進(jìn)行水動壓力計算，然后將波浪載荷及慣性力傳遞至結(jié)構(gòu)模型（見圖11），用SESTRA模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算[8]。根據(jù)計算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵區(qū)域提出了加強修改方案并再次進(jìn)行分析驗證。

通過有限元直接強度分析，發(fā)現(xiàn)在原散貨船橫艙壁與連接橋橫艙壁連接區(qū)域、散貨船靠近連接橋甲板區(qū)域等關(guān)鍵區(qū)域，都存在較大應(yīng)力集中，因此對該類型區(qū)域進(jìn)行加強。加強后平臺主要支撐構(gòu)件的應(yīng)力基本均小于許用值315MPa（見表4）。橫艙壁上少數(shù)應(yīng)力集中區(qū)域的相當(dāng)應(yīng)力值大于315MPa，采用局部增加板厚或提高鋼級來解決。圖12為加強后最大橫向分離矩下橫艙壁的應(yīng)力分布。

圖11 全船有限元模型

圖12 加強后最大橫向分離矩下橫艙壁應(yīng)力分布

由有限元分析可知，連接橋橫向結(jié)構(gòu)和原散貨橫艙壁上的壓應(yīng)力以及剪應(yīng)力都較大，因此，根據(jù)ABS的屈曲校核規(guī)范，對這些區(qū)域進(jìn)行屈曲強度校核。其中，最大橫向扭轉(zhuǎn)彎矩下的FR184橫艙壁的屈曲UC值最大，為0.763，留有一定的設(shè)計余量（見表5）。

原散貨船空船重量2條合計22000t，原船結(jié)構(gòu)拆除約2100t，改造所用鋼料重量約3300t，合計增重約1200t。由此可見，平臺的改造工作量較小，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

表4 加強后的相當(dāng)應(yīng)力結(jié)果 單位：MPa

表5 加強后FR184橫艙壁的屈曲強度校核結(jié)果

5 結(jié) 語

1) 在確定雙體式平臺的改裝方案時，必須考慮平臺運動性能的表現(xiàn)。當(dāng)平臺在目標(biāo)海域的運動性能不能滿足要求時，可通過作業(yè)窗口預(yù)報來評估方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性；

2) 平臺的氣隙以及運動和載荷預(yù)報時所用的阻尼系數(shù)需通過相關(guān)模型試驗來驗證；

3) 對于雙體式平臺，連接橋和兩個側(cè)體內(nèi)傳遞橫向載荷的相關(guān)構(gòu)件會承受較大的波浪載荷，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時可通過總強度分析來校核和優(yōu)化相關(guān)的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件尺寸。

[1] 黃曉瓊，陳 立，楊雄輝，等. 三體船連接橋結(jié)構(gòu)波浪載荷研究[J]. 中國艦船研究, 2009, (4)： 42-46.

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