劉紫嫣，劉美彤，曹 宇，崔海朋

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

0 引 言

大型半潛運(yùn)輸船的型寬較大，具有優(yōu)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(shè)備運(yùn)輸?shù)男枨螅ㄟ^融入下潛技術(shù)，使需要裝運(yùn)的設(shè)備可以直接到達(dá)運(yùn)貨甲板，再通過上浮完成裝填任務(wù)[1]。長期以來半潛船運(yùn)輸模式比較少，荷蘭的Dockwise公司幾乎壟斷了全球半潛船航運(yùn)市場[2]，隨著近20年來中國的船舶設(shè)計技術(shù)提升，超大載重噸位的深吃水半潛運(yùn)輸船已可實現(xiàn)自主設(shè)計。深吃水半潛運(yùn)輸船較常規(guī)運(yùn)輸船型貨物特殊，種類繁多，裝載及作業(yè)工況多，結(jié)構(gòu)載荷大，如何保證深吃水半潛運(yùn)輸船的安全，提升運(yùn)輸能力，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要目標(biāo)之一。

半潛船的設(shè)計規(guī)范和方法，國外已開展了大量研究，但各國船級社給出的設(shè)計流程及方法還不統(tǒng)一，較為籠統(tǒng)。DNV GL船級社針對半潛式運(yùn)輸船的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計有專門的設(shè)計規(guī)范章節(jié)[3], ABS船級社對半潛式運(yùn)輸船的結(jié)構(gòu)設(shè)計也有相關(guān)論述[4]。

國內(nèi)關(guān)于深吃水半潛運(yùn)輸船的設(shè)計和建造經(jīng)驗相對較少，尚未形成專門的設(shè)計規(guī)范，只在通用鋼質(zhì)海船入級規(guī)范的半潛船章節(jié)有簡單介紹[5]。桂滿海[6]以我國首艘自主研發(fā)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(yùn)輸船的設(shè)計出發(fā)，介紹了50 000噸級以上大型半潛運(yùn)輸船的船型特點和市場情況，并闡述了半潛船的常規(guī)設(shè)計方法和作業(yè)原理；李曉君等[8]分析了極地半潛船設(shè)計存在的問題，提出了半潛船在冰區(qū)加強(qiáng)、重大件擺放及綁扎強(qiáng)度等方面的設(shè)計方法。本文通過介紹深吃水半潛船結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，闡述設(shè)計流程中的重要環(huán)節(jié)及關(guān)鍵技術(shù)，為大型半潛船設(shè)計、強(qiáng)度校核提供參考。

1 主要關(guān)鍵技術(shù)

1.1 直接計算法

《CCS鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》里給出了常規(guī)運(yùn)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(yīng)用下式計算：

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

船體各橫剖面的中拱波浪切力FW(+)和中垂波浪切力MW(-)應(yīng)用下式計算：

但因大型深吃水半潛運(yùn)輸船的型寬較常規(guī)船大，通常船長/型寬≤5，型寬/型深比≥2.5，不完全滿足CCS規(guī)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(jìn)行波浪載荷計算[5]。

1.2 非均勻載荷強(qiáng)度校核

CCS規(guī)范要求，在校核船中區(qū)域的橫向強(qiáng)度時，應(yīng)包括半潛船典型的作業(yè)工況，其中包含下潛工況和航行工況。深吃水半潛運(yùn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計流程

基于多年大型半潛運(yùn)輸船的實際設(shè)計經(jīng)驗，應(yīng)用直接計算方法及有限元方法分析深吃水半潛運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度問題，量化考慮非均勻載荷對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，建立一套深吃水半潛運(yùn)輸船深吃水半潛運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，主要如圖2所示。

圖2 深吃水半潛運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)設(shè)計流程Fig. 2 The structural design process of deep draft semi-submersible transport vessel

2 65 000噸級半潛運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

近年來，國內(nèi)50 000噸級以上的大型深吃水半潛運(yùn)輸船在噸位和數(shù)量上已經(jīng)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(yùn)輸船為例，介紹深吃水半潛運(yùn)輸船深吃水半潛運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，闡述各階段設(shè)計中的具體方法和關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 主要布置特點

65 000噸級大型深吃水半潛運(yùn)輸船是典型的三島式半潛船，尾部兩舷各設(shè)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(shè)有首、尾2個機(jī)艙，雙槳雙舵，主船體除機(jī)艙外均設(shè)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(guī)范，無限航區(qū)，浮冰級冰區(qū)航行。其主尺度參數(shù)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(shè)計吃水

10.9 m。

圖3 65 000噸級半潛運(yùn)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(shè)計

深吃水半潛運(yùn)輸船的中橫剖面圖設(shè)計，雖與常規(guī)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(qiáng)度單獨校核以及非均勻載荷有限元強(qiáng)度分析等。

2.2.1 波浪載荷計算

65 000噸級深吃水半潛運(yùn)輸船屬于典型的寬扁船型，不完全滿足CCS規(guī)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(jìn)行波浪載荷計算?；贑CS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(yīng)函數(shù)（RAO），基于北大西洋海環(huán)境IACS Rec. 34波浪統(tǒng)計資料進(jìn)行長期預(yù)報，根據(jù)CCS規(guī)范要求進(jìn)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(jīng)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(guī)范經(jīng)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(jīng)對比，水動力直接計算出的波浪彎矩要比規(guī)范計算值大了約21%，而剪力則大了約83.7%?？梢?，經(jīng)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(qiáng)度校核

1）總縱強(qiáng)度

經(jīng)過設(shè)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(qiáng)框三檔肋距設(shè)置，壓載艙均為斜底，縮短排壓載時間，減少艙內(nèi)積水。主船體構(gòu)件全部采用了H36的高鋼。

圖8 中橫剖面圖Fig. 8 Midship section

與常規(guī)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(shè)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(jù)CCS規(guī)范，半潛船在常規(guī)作業(yè)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(shè)計時需加注意。

2）局部強(qiáng)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(diào)整壓載水量實現(xiàn)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(gòu)件的尺寸差異。該船型下潛時采用重力式輔助負(fù)壓吸引吸入壓載水，不僅節(jié)約能源還能減小構(gòu)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(gòu)件承載需要額外考慮壓縮空氣的壓力值。

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

2.3 非均勻載荷有限元強(qiáng)度分析

根據(jù)CCS規(guī)范中橫剖面的強(qiáng)度主要考核航行正浮狀態(tài)，航行橫搖狀態(tài)以及下潛狀態(tài)，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(jié)果如圖10所示。最危險工況出現(xiàn)在航行橫搖狀態(tài)，橫向加強(qiáng)框腹板靠近主甲板處應(yīng)力較高，最大達(dá)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(jìn)行局部加厚，橫向加強(qiáng)框補(bǔ)強(qiáng)方案如圖11所示。

圖10 橫向加強(qiáng)框應(yīng)力分析結(jié)果Fig. 10 Stress analysis results of transverse reinforced frame

圖11 橫向加強(qiáng)框補(bǔ)強(qiáng)方案Fig. 11 Strengthen scheme of transverse reinforced frame

對于非均勻載荷強(qiáng)度校核，根據(jù)該船型的貨物裝載方式設(shè)置6種甲板線載荷極限工況：1）船中連續(xù)3個橫向強(qiáng)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(qiáng)框，同時出現(xiàn)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(qiáng)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(xù)3個艙段進(jìn)行校核，如圖12所示。

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

經(jīng)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(qiáng)框的板厚。

3 結(jié) 語

以65 000噸級深吃水半潛運(yùn)輸船為例，介紹具有超大型海上設(shè)備運(yùn)輸能力的半潛船在結(jié)構(gòu)設(shè)計分析中的基本流程與方法，主要結(jié)論如下：

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

2）應(yīng)用直接計算方法及有限元方法分析深吃水半潛運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度問題，量化考慮非均勻載荷對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，建立一套深吃水半潛運(yùn)輸船深吃水半潛運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，該設(shè)計流程符合工程設(shè)計的實際需求。

3）船體結(jié)構(gòu)設(shè)計在大型半潛運(yùn)輸船設(shè)計中最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵。