荊海東 楊 青

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

半潛船誕生于20世紀的60～70年代，是用于運輸超長、超重且不可分割的超大件特殊貨物的特種工程船［1］。因運輸海洋工程大型結(jié)構(gòu)物的功能需要，半潛船的船型布置和受力特點較常規(guī)船舶有較大差異，特別是隨著半潛船的大型化發(fā)展和更高的裝載能力要求，有必要對其結(jié)構(gòu)設計技術(shù)進行深入研究。

相較于普通運輸船載荷分布相對較為均衡，半潛船常常會承受較集中的載荷。其運輸貨物復雜多變，如何通過有限的載荷工況組合覆蓋所有設計工況是一個值得研究的問題。

1 半潛船典型作業(yè)工況和載荷

半潛船作業(yè)主要有浮托安裝和運輸，滾裝上船和下船，滑移上船和下船（一般可分為縱向滑移和橫向滑移）以及吊運。通常半潛船計算需考慮航行工況、半潛工況（壓排載）和碼頭作業(yè)工況（尾部上貨和橫向上貨）。半潛船各典型作業(yè)工況均需考慮船體運動加速度、海水壓力（動壓力和靜壓力）、液艙壓力、甲板貨物載荷和船體梁等的組合作為設計工況。

航行工況是半潛船在設計最小吃水和最大航行吃水之間載貨或不載貨航行。甲板承受貨物本身及運動所引起的載荷，艙內(nèi)承受液艙壓力，舷外承受靜水壓力和波浪動壓力。航行工況通常無需考慮在極端天氣下采用壓縮空氣調(diào)整壓載水，僅考慮液艙壓力、甲板載荷和船體梁載荷等的組合，不考慮額外的壓縮空氣壓力。航行工況通常是船體結(jié)構(gòu)縱向與橫向構(gòu)件設計的主控工況。

半潛船的典型半潛作業(yè)過程是：首先，注入壓載水使半潛船下潛到一定吃水深度，舉升甲板被水淹沒，將待裝載的貨物移至船舶舉升甲板上方；然后，逐步將壓載水排出，使半潛船慢慢起浮，裝載的貨物被慢慢托起；最后，當裝載的貨物完全露出水面后，便可將貨物進行系固。

半潛船半潛工況要求在限制水域或限制海況下，采用泵排載或壓縮空氣排載下潛和上浮作業(yè)。當下潛到最大潛深時，船體外板承受舷外水壓力，船內(nèi)液艙承受液艙壓力。若為壓縮空氣排載，液艙所受壓力需在艙深產(chǎn)生的壓力基礎(chǔ)上疊加壓縮空氣壓力。若為泵排載，液艙需考慮到空氣管頂?shù)纳钆搲毫?。由于下潛和上浮對海況要求較高，浮托貨物出水面時，貨物對于甲板的壓力通常近似于只有重力，無需考慮貨物運動產(chǎn)生額外的加速度。半潛工況通常用于校核液艙深艙構(gòu)件以及不同配載時的強框局部強度。半潛工況作業(yè)時，通常不會對液艙裝載順序或裝載有額外限制，僅需保證穩(wěn)性及彎矩剪力滿足包絡線即可，計算時需考慮任意裝載工況或根據(jù)管系的設計排載原理設計。

碼頭作業(yè)工況通常包含尾部上貨和橫向上貨兩種計算工況。碼頭常用作業(yè)方式是滾裝式，需要設跳板或滑軌，貨物靠滾裝上船，若從尾部上貨，則會產(chǎn)生較大的中拱彎矩。由于碼頭上貨對上貨精度要求較高，因此對天氣和海況要求都較高。對于尾部上貨工況，甲板載荷根據(jù)不同的貨物而不同，甲板承受線載荷或面載荷。由于環(huán)境條件較好，載荷通常無需放大（僅需取適當余量即可）。尾部上貨工況對于尾部結(jié)構(gòu)的要求較高，通常作為尾部結(jié)構(gòu)的設計工況之一。

2 主流船級社對于半潛船計算的要求

半潛船作為近些年興起的較新船型，其結(jié)構(gòu)設計的相關(guān)規(guī)范尚不完善，目前除中國船級社（CCS）規(guī)范和挪威船級社（DNV）規(guī)范中有半潛船這一章節(jié)外，其他船級社規(guī)范只能參考一般干貨船規(guī)范［2］。

2.1 船級社對于波浪載荷計算的要求

半潛船由于其特殊的作業(yè)方式，型深通常受限（受制于碼頭水深和浮托時水深限制）；同時，為追求載貨能力，寬度一般較寬。L/B和B/D均不滿足規(guī)范尺度比要求，波浪載荷需進行直接計算預報。

2.1.1 CCS對于波浪載荷直接計算的要求

CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》對于波浪載荷直接計算的要求如下：

（1）計算軟件應基于三維線性或非線性波浪理論，并得到船級社認可；

（2）波浪載荷的預報采用基于北大西洋海洋環(huán)境的IACS Rec.34波浪統(tǒng)計資料；

（3）所取的波浪頻率不少于20個，浪向角不少于7個，計算航速取0 m/s；

（4）計算采用的波浪譜及能量擴散函數(shù)取2（強度計算）；

（5）取10-8概率水平的長期預報結(jié)果作為計算結(jié)果（P-M波浪譜）。

2.1.2 DNV對于波浪載荷直接計算的要求

DNV規(guī)范對于波浪載荷直接計算的要求如下：

（1）對于強度計算，通常需采用非線性算法計算波浪載荷，但也可以通過線性計算后考慮非線性修正得到。

（2）當采用基于北大西洋海洋環(huán)境的IACS Rec.34波浪統(tǒng)計資料計算波浪載荷時，對于航行海船過于保守，得到的波浪載荷可以乘以縮減系數(shù)。對于半潛船，DNV接受基于全球海況的波浪載荷直接預報。

（3）波浪載荷計算需考慮航速。對于CSR船，考慮5 kn航速。對于非CSR船，若船長＞150 m時，考慮5 kn航速；若船長＜100 m時，不考慮航速；若船長在100～150 m時，則由插值確定。

（4）計算采用的波浪譜及能量擴散函數(shù)取2（由強度計算獲得）。

圖2 某10萬t半潛船濕表面

圖3 某8萬t半潛船濕表面

2.2 船級社對于半潛船直接計算的要求

2.2.1 CCS對于半潛船直接計算的要求

CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》對于半潛船計算工況的要求［3］為：

（1）應對整個船長范圍內(nèi)的典型橫向結(jié)構(gòu)進行橫向強度校核。

（2）橫向強度計算工況應包括半潛船典型的作業(yè)工況，其中應含有假定期望的最危險作業(yè)工況。

（3）橫向強度校核時，應考慮下述載荷的作用：

① 半潛船的自重（包括龍骨墩）；

② 被運輸對象的最大質(zhì)量；

③ 特定吃水下的外部靜水壓力；

④ 相應于③ 規(guī)定的吃水，且半潛船舉起被運輸對象最大質(zhì)量時，均布壓載水的內(nèi)部靜水壓力。

（4）彎曲許用應力為170/K，N/m2；剪切許用應力為95/K，N/mm2；任何點合成應力的許用應力取為180/K，N/mm2（K為材料系數(shù)）。

2.2.2 DNV對于半潛船直接計算的要求

DNV規(guī)范對于半潛船直接計算要求［4］為：

（1）直接計算分析

載貨區(qū)需進行局部艙段有限元分析，艙段計算需考慮總縱彎矩、剪力和扭矩等。船體梁載荷需要調(diào)整到模型指定位置的許用值。剪力的許用值通常設在中艙的前后艙壁位置，彎矩的調(diào)整值通常設在三艙的艙中位置，扭矩的調(diào)整值設在中艙的前（或后）艙壁處。

（2）計算工況

計算工況需具體問題具體分析，需包含最苛刻的靜工況、“靜+動”工況以及事故進水工況：① 裝載手冊中的許用局部載荷或均布載荷；② 考慮液艙載荷和極端甲板載荷組合的航行工況；

③ 包括半潛作業(yè)工況（波浪載荷減?。?；

④ 排壓載水工況（艙室滿載+最大壓縮空氣壓力）。

（3）許用應力

對于靜工況（尾部上貨工況），合成應力的許用應力為0.85×235/K；對于航行工況和作業(yè)工況，合成應力的許用應力為235/K（K為材料系數(shù)）。

2.3 規(guī)范分析

CCS和DNV的規(guī)范對于波浪載荷計算的要求基本上類似，但DNV要求波浪載荷直接預報需考慮航速，并且接受基于全球波浪散布圖的波浪載荷直接預報。根據(jù)現(xiàn)有大型半潛船計算結(jié)果，采用北大西洋波浪散布圖直接計算波浪彎矩，所得值比規(guī)范要求大30%～40%。實際上，半潛船有其獨特的航行特點，即半潛船通常按特定航線航行，航行時間相對確定，通常會制定較為保守的航行策略，故采用北大西洋無限航區(qū)預報波浪載荷相對保守（通常采用全球海況預報已足夠保守）。雖然半潛船每次運貨時，都會根據(jù)航線進行波浪載荷和船體運動直接預報，但船的許用靜水彎矩/剪力不允許進行調(diào)整。船舶設計階段波浪載荷減小可適當增大許用靜水彎矩剪力，使半潛船具有更強的裝載能力。

對于半潛船的直接計算，CCS規(guī)范不要求進行艙段有限元計算，僅要求對橫向強度進行計算，且考慮載荷較模糊，無法覆蓋所有裝載，衡準也僅對橫向強度有要求。橫向強度計算時無需調(diào)整總縱彎矩和剪力，僅校核橫向構(gòu)件，故無法對承受巨大甲板載荷時的縱向構(gòu)件（特別是縱艙壁和外板）進行評價。

DNV規(guī)范要求組合極端工況，艙段計算時需疊加總縱彎矩剪力。不過，雖然規(guī)定總縱彎矩剪力的疊加需根據(jù)工況組合確定，但對于半潛船具體工況該如何組合卻無明確要求。需要特別注意的是，DNV規(guī)范將尾部上貨工況歸為靜載荷工況，CCS則無此要求，設計時需特別注意。由于DNV規(guī)范中要求的組合工況相對更全面，因此以DNV規(guī)范計算艙段時，橫向構(gòu)件的許用值也較CCS高。

對于大型半潛船，甲板載荷設計和工況設計至關(guān)重要，且與船舶使用息息相關(guān)，而CCS和DNV規(guī)范對于甲板載荷的設計和選取卻無明確說明。隨著半潛船尺度增大，運輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)物尺度越來越大，因此很有必要對半潛船甲板載荷和工況設計進行深入研究。

3 大型半潛船甲板載荷設計與分析

對于中小型半潛船來說，甲板載荷通常由船東指定，一般為15～25 t/m2的面載荷［5］，這個載荷通常為靜載荷。大型半潛船甲板載荷不僅包含面載荷，還包括點載荷和線載荷。不同的載荷通常根據(jù)不同載貨需求來確定，新型超大型半潛船還需根據(jù)現(xiàn)有設計的結(jié)構(gòu)物推測未來貨物的尺度和質(zhì)量信息，并用來設計甲板載荷。甲板載荷設計流程見圖4。

圖4 甲板載荷計算流程

以某8萬噸級半潛船運輸6萬噸級浮式生產(chǎn)平臺（FPS）為例，運輸FPS時的運動特性和加速度值（20年一遇波浪直接預報值）如表1所示，甲板均布載荷計算參見圖5。

表1 運輸FPS時運動特性和加速度值（20年一遇波浪直接預報值）

圖5 甲板均布載荷計算

根據(jù)以上計算結(jié)果，在船舯處（船舯至距船舯20 m的范圍內(nèi)）甲板載荷為40 t/m2，在舷側(cè)處（距船舯20 m至外板）甲板載荷為80 t/m2；綜合考慮其他的典型貨物和實際裝載貨物的不確定性，最終確定船舯處甲板載荷為45 t/m2，舷側(cè)處甲板載荷為90 t/m2。線載荷和點載荷的計算上述流程類似。

4 設計工況

根據(jù)第2節(jié)描述的半潛船的作業(yè)特點，艙段計算需至少計算航行工況、半潛工況和碼頭作業(yè)工況（尾部和側(cè)向上貨）［6］。半潛船艙段有限元載荷設計需考慮半潛船的裝載能力，且要考慮第3節(jié)中工況計算時運動特性。

半潛船通常要求結(jié)構(gòu)設計不得對液艙裝載提出限制，因此計算時不僅要考慮貨物裝載的最不利工況，還要疊加考慮不均勻裝載和非對稱裝載的情況，設計工況需組合出最不利工況進行校核。工況設計時，需對船的后續(xù)使用全面認識，即半潛船將來用于運輸?shù)呢浳锏某叽?、大小等，從源頭上考量設計工況。

艙段計算至少應計算船的尾部、中部和首部（某些特殊船型，如4島式半潛船，首部也作為載貨區(qū)）。不同的艙段，工況設計大致相同，但由于所處位置不同，工況設計時考慮的因素不盡相同。對于中部艙段：

（1）艙段計算時，壓載水量和甲板載荷總量無需超過船的載重量；

（2）甲板載荷嚴重不均勻的工況通常是因橫浪工況和斜浪工況而產(chǎn)生。由于波浪既可能產(chǎn)生正向傾覆力矩，也可能產(chǎn)生負向傾覆力矩，因此不均勻裝載產(chǎn)生的扭矩不得超出船本身回復力矩和橫浪引起的波浪扭矩的差值。大型半潛船回復力臂曲線和回復力矩曲線如下頁圖6和圖7所示。

圖6 大型半潛船回復力臂曲線

圖7 大型半潛船回復力矩曲線

寬扁型船通常回復力矩較大，但因大型半潛船較寬扁，抵抗扭轉(zhuǎn)的能力較常規(guī)型深船差，故超出回復力矩時，扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪力通常也較大。圖8為某大型4島式半潛船承受扭轉(zhuǎn)時剪應力分布。

圖8 扭轉(zhuǎn)（圣維南扭轉(zhuǎn)）引起的剪力分布

扭轉(zhuǎn)引起的剪應力最大值分別位于甲板、舷側(cè)和底板，在1×106kN·m扭矩作用下分別達到了11.9 MPa、17.1 MPa和21.1 MPa。

根據(jù)圖7可知，本船回復力矩（扭矩）為5.32×106kN·m，由回復力矩在甲板、舷側(cè)和底板產(chǎn)生的剪切力達到了63.3 MPa、91 MPa和112 MPa。此時若考慮此工況為迎浪工況，疊加靜水剪力（垂向）和波浪剪力（垂向）后，垂向剪應力將遠超許用剪應力（159 MPa）。由于這極不合理，故不作考慮，因此最大扭矩工況定義為橫浪工況或斜浪工況。

（3）迎浪工況時，甲板載荷和液艙載荷的組合通常無需考慮產(chǎn)生嚴重扭轉(zhuǎn)的載荷分布。

（4）對于液艙載荷，可參照油船的液艙裝載相關(guān)規(guī)范進行配置。

（5）各工況考慮的船體梁載荷可參照DNV規(guī)范的要求疊加，即不同浪向考慮不同的船體梁載荷疊加系數(shù)。

本文以某4島式8萬噸級半潛船船舯艙段典型裝載工況為例，介紹工況設計的原則。艙段工況設計既要考慮甲板載荷，又要考慮艙內(nèi)載荷，其中大部分為對稱裝載工況。典型工況如圖9和圖10所示。

圖1 大型半潛船運輸SPAR平臺

圖9 航行工況典型計算工況

圖10 半潛工況典型計算工況

艙段計算的航行工況，對于典型工況（1、3、4、 5、6），甲板載荷基本對稱，非對稱載荷未產(chǎn)生較大的扭矩，計算工況適用于迎浪或隨浪工況。雖然對于非橫傾工況，甲板邊緣載荷不會達到90 t/m2，但設計時考慮余量，仍可以將邊緣甲板載荷設為90 t/m2。

對于典型工況2為非對稱裝載工況（載重量為6.5萬t），產(chǎn)生的橫傾力矩如下：

對比以上數(shù)據(jù)與船整體回復力矩能力（見圖7），滿載工況本船最大回復能力為4.24×106kN·m，中間裝載工況最大回復能力為5.32×106kN·m。

由此可知，目前設計的工況2未超出船的回復能力，結(jié)果可用來進行結(jié)構(gòu)評估。但若不考慮左舷壓載水，船的傾覆力矩便遠遠超出船本身的回復能力，船會發(fā)生傾覆，故結(jié)構(gòu)設計無需考慮該設計工況。

當然，若按該工況設計，扭矩在舷側(cè)外板引起的剪切應力達到了6.85×17.1=117 MPa，加上垂向剪力產(chǎn)生的剪應力，剪應力將遠超結(jié)構(gòu)設計能力。若按此目標設計，船舶的外板需加厚到相當厚的程度。這不僅過于保守，也是相當不合理且無必要，因此這種工況計算時需剔除。

此外，當工況設計的扭矩逼近船回復力矩時，由于不均勻載荷通常由橫搖產(chǎn)生（除回復力矩外），且最大甲板載荷是由橫搖角和橫向加速度組合產(chǎn)生（見第34頁第3節(jié)），船橫傾后才會產(chǎn)生回復力矩，故計算時需將此工況定義為橫傾工況，以避免保守設計。

對于半潛工況（典型作業(yè)工況），由于出水后海況較好，載荷通常較小，故僅需考慮最大潛深時，外板所承受的最大水壓力，艙內(nèi)承受液艙壓力和壓縮空氣或泵排載壓力，各液艙組合并疊加總縱彎矩和剪力，以校核各橫向和縱向構(gòu)件。

由于設計時碼頭作業(yè)工況對于尾部較為主控，通常中艙段計算無需考慮碼頭作業(yè)工況。

在艙段計算時，甲板載荷施加的面積越大，對結(jié)構(gòu)的承載設計要求越高，對于船尾和船首艙段，顯然不能考慮所有載重量均作用于尾部，施加的壓載水量需考慮船舶縱傾的允許值，需請總體專業(yè)配合進行工況設計，以避免超出船舶能力的工況設計。同時，尾部計算工況需考慮尾部上貨工況，尾部上貨工況通?？紤]較大的線載荷（對于大型半潛船，此值往往達到150～170 t/m），計算時需特別注意線載荷的布置應根據(jù)甲板貨物布置而非根據(jù)半潛船強力甲板縱桁布置。

5 結(jié) 論

對于大型半潛船，由于船寬型深比越來越大，載荷工況設計對于結(jié)構(gòu)強度評估至關(guān)重要。大型半潛船的工況設計需根據(jù)使用需求、設計理念和載貨能力來進行綜合設計。綜合考量載荷工況設計時，既要考慮到船舶的各種實際使用工況，又不能因過于保守而影響船的經(jīng)濟性。

本文根據(jù)多艘大型半潛船的設計和強度評估經(jīng)驗，總結(jié)介紹了大型半潛船工況組合中應注意的問題：

（1）大型半潛船的工況組合對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸影響非常大，過于保守的工況設計會導致構(gòu)件尺寸增加較大；

（2）工況組合時，需確定合理的甲板載荷（面載荷、線載荷和點載荷）；

（3）橫向不均勻裝載時需考慮橫傾狀態(tài)，以抵消不均勻裝載引起的橫傾力矩；

（4）工況組合時，需適當保留余量（考慮適當超出船舶裝載能力），以保證結(jié)構(gòu)設計的安全性。

希望本文對大型半潛船、寬扁型船及運輸大件貨船的艙段有限元的工況設計和強度校核起到指導作用，從而為優(yōu)化和改進相關(guān)船型的結(jié)構(gòu)設計提供技術(shù)支持。