吳迪,韓永興,吳坤
(中集來(lái)福士海洋工程有限公司,山東 煙臺(tái) 264670)
游艇和相關(guān)產(chǎn)業(yè)在我國(guó)有著十分廣闊的發(fā)展前景。絕大多數(shù)游艇并不適合長(zhǎng)途的遠(yuǎn)洋航行,通常是將游艇通過(guò)船運(yùn)的方式提前送到目的,專(zhuān)門(mén)的游艇運(yùn)輸船日益受到重視。2007年,煙臺(tái)來(lái)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(zhuān)用運(yùn)輸船“游艇特快”號(hào),總長(zhǎng)209.34 m,下潛最大吃水22 m,總載重量12 500 t,專(zhuān)用于豪華游艇的跨洋運(yùn)輸。已經(jīng)建成的半潛式游艇運(yùn)輸船數(shù)量少,完備的母型船資料少,此類(lèi)船型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有不少問(wèn)題需要探討。為此,結(jié)合某半潛式游艇運(yùn)輸船的船體設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行分析討論。
所述半潛式游艇運(yùn)輸船采用單一貨艙敞口設(shè)計(jì),貨物甲板高度(距離基線,下同)5.9 m,距離滿載航行時(shí)水線面很近,由于所運(yùn)載的游艇屬于高價(jià)值的貨品,該船設(shè)計(jì)了舷側(cè)結(jié)構(gòu)和尾門(mén)結(jié)構(gòu)來(lái)保護(hù)貨物甲板上的游艇在運(yùn)輸過(guò)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(mén)在航行過(guò)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(jí)符號(hào)中的描述性部分。該船沒(méi)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(dòng)力或通過(guò)牽引的方式從艉部進(jìn)入運(yùn)輸船(此時(shí)艉門(mén)打開(kāi)),然后運(yùn)輸船上浮,艉門(mén)關(guān)閉,固定游艇后開(kāi)啟航程。其主尺度及總布置如下。
總長(zhǎng):213.7 m;設(shè)計(jì)吃水:4.6 m;
垂線間長(zhǎng):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(jí)英國(guó)勞氏船級(jí)社,船級(jí)符號(hào)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)
與常規(guī)的半潛船的作業(yè)特點(diǎn)[1]類(lèi)似,半潛式游艇運(yùn)輸船要做到能潛能浮。浮力和重力的平衡是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。通常船體結(jié)構(gòu)的重量占空船重量的比例很高,對(duì)于本船來(lái)說(shuō),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(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行跟蹤和控制是非常必要的。
由于游艇是通過(guò)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(guò)大導(dǎo)致的拉索過(guò)載和對(duì)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(jì)的重要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段可根據(jù)全船有限元得到的絕對(duì)變形結(jié)果來(lái)推算出相對(duì)變形。
圖1 游艇運(yùn)輸船總布置示意
船體中橫剖面的確定是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足船舶總縱強(qiáng)度和確保游艇運(yùn)輸船功能實(shí)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(jiǎn)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(jì)應(yīng)綜合考慮載荷(設(shè)計(jì)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??紤]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(jì)的船底板厚14 mm(AH36)相對(duì)比較小,因此縱骨間距取為600 mm(相對(duì)于同尺度的貨船來(lái)說(shuō)偏小),這對(duì)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(tái),方便檢修人員在該平臺(tái)對(duì)貨物甲板的下表面進(jìn)行檢修、補(bǔ)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(chē)。典型的中橫剖面見(jiàn)圖2。
圖2 典型中橫剖面
該船主要運(yùn)載貨物是游艇,同時(shí)兼具常規(guī)甲板運(yùn)輸船的功能,貨物甲板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮下潛時(shí)的水壓頭,還應(yīng)考慮每一種局部載荷并按照船級(jí)社規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行計(jì)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(chē)輛載荷,例如叉車(chē)、小汽車(chē)和貨車(chē)等,典型的車(chē)輛載荷見(jiàn)圖3。
圖3 貨物甲板上典型車(chē)輛載荷示意
該船為了裝載游艇的需要,船寬比較寬,船長(zhǎng)/船寬<5,船寬/型深>2.5,采用直接計(jì)算的方法預(yù)報(bào)波浪載荷[2]。該船設(shè)計(jì)為無(wú)限航區(qū),選取北大西洋波浪散布圖進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)[3],波浪譜選用P-M譜。超越概率取為10-8,該數(shù)值大致對(duì)應(yīng)于20年一遇波浪的設(shè)計(jì)值。浪向在0° ~180°之間,步長(zhǎng)30°,共7個(gè)浪向,其中0°為迎浪方向。計(jì)算采用勞氏船級(jí)社的軟件PRETTI,選取裝載手冊(cè)中3種典型裝載情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。
1)LC01,壓載出港,對(duì)應(yīng)最大的靜水彎矩。
2)LC03,滿載出港,對(duì)應(yīng)最大吃水。
3)LC17,單側(cè)裝載800 t貨物出港,對(duì)應(yīng)最大靜水轉(zhuǎn)矩。
水動(dòng)力計(jì)算模型見(jiàn)圖4,模型中構(gòu)建虛擬的甲板用以消除數(shù)值計(jì)算中的奇異頻率問(wèn)題。
圖4 游艇運(yùn)輸船水動(dòng)力模型
通過(guò)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(jí)社的要求[4],設(shè)計(jì)波浪彎矩和剪力的最大值不能小于規(guī)范值。結(jié)果見(jiàn)表1。該船波浪預(yù)報(bào)得到的中拱彎矩小于規(guī)范值,中垂彎矩的絕對(duì)值大于規(guī)范值。波浪預(yù)報(bào)得到的垂向剪力的絕對(duì)值均大于規(guī)范值。
表1 波浪載荷預(yù)報(bào)值與規(guī)范值對(duì)比
該船是敞口結(jié)構(gòu)并且只有一個(gè)貨艙,不是常規(guī)船型也沒(méi)有相關(guān)的有限元計(jì)算指南??紤]整船的扭轉(zhuǎn)需要用全船有限元來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度分析。由于沒(méi)有疲勞分析的船級(jí)符號(hào),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(gè)部分。根據(jù)該游艇運(yùn)輸船的特點(diǎn),為了得到船體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力,對(duì)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(lái)進(jìn)行計(jì)算。
1)迎浪工況,靜水彎矩和波浪彎矩(中拱+中垂)沿著船長(zhǎng)方向都達(dá)到設(shè)計(jì)值和預(yù)報(bào)值,浪向角為0°。
2)斜浪工況,0.4L(在船長(zhǎng)方向與FR0的距離,下同)處波浪扭矩最大,浪向角120°。1個(gè)波浪周期分為20個(gè)步長(zhǎng),每1步計(jì)算1個(gè)工況。
3)橫浪工況,橫搖角最大,浪向角90°。把1個(gè)波浪周期分為20個(gè)步長(zhǎng),每1步計(jì)算1個(gè)工況。
4)橫浪工況,水線面位置最大動(dòng)壓力,有3種設(shè)計(jì)波。
①0.25L處水線面位置最大動(dòng)壓力,浪向角90°。把1個(gè)波浪周期分為60個(gè)步長(zhǎng),每1步計(jì)算1個(gè)工況。
②0.5L處水線面位置最大動(dòng)壓力,浪向角90°。把1個(gè)波浪周期分為60個(gè)步長(zhǎng),每1步計(jì)算1個(gè)工況。
③0.75L處水線面位置最大動(dòng)壓力,浪向角90°。把1個(gè)波浪周期分為60個(gè)步長(zhǎng),每1步計(jì)算1個(gè)工況。
可以看出,對(duì)應(yīng)于3.1節(jié)中3種典型裝載情況,計(jì)算有限元工況總數(shù)量為306個(gè)工況。
全船有限元粗網(wǎng)格模型見(jiàn)圖5,模型中采用了板單元和梁?jiǎn)卧?,網(wǎng)格尺寸按照縱骨間距和肋距進(jìn)行劃分。需要說(shuō)明的是該模型是用來(lái)評(píng)估貨艙區(qū)(FR102朝前)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,其距離艉門(mén)超過(guò)60 m,航行時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)的艉門(mén)對(duì)貨艙區(qū)船體結(jié)構(gòu)的影響可以忽略,因此模型中尾門(mén)結(jié)構(gòu)沒(méi)有建模??沾|(zhì)量通過(guò)在實(shí)際結(jié)構(gòu)上添加質(zhì)量點(diǎn)來(lái)模擬鋼料、舾裝和小設(shè)備的質(zhì)量。大設(shè)備包括艉門(mén)采用質(zhì)量單元來(lái)模擬,質(zhì)量單元通過(guò)虛擬結(jié)構(gòu)和實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。靜水壓力按計(jì)算工況的吃水,作用在船體外部濕表面。預(yù)報(bào)得到的波浪載荷通過(guò)作用于船體外部濕表面的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。預(yù)報(bào)得到的慣性力以慣性加速度的方式,作用在整個(gè)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(gè)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(guò)對(duì)應(yīng)排水量的1%;橫浪及斜浪狀態(tài),不超過(guò)對(duì)應(yīng)排水量的2%。
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(jiàn)圖6、7,對(duì)于計(jì)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(dòng)壓力工況
圖7 變形結(jié)果-斜浪工況
對(duì)于全船有限元的分析結(jié)果,經(jīng)過(guò)匯總所有的計(jì)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(duì)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(jiàn)圖8(加強(qiáng)之前的計(jì)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(jiàn)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(jiàn)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
對(duì)于本船來(lái)說(shuō),局部應(yīng)力集中問(wèn)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(kāi)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(jí)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖12、13及表2。
圖12 艙口角隅及甲板大開(kāi)孔處細(xì)化模型
圖13 縱艙壁大開(kāi)孔處細(xì)化模型
表2 細(xì)化網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果 kPa
1)此類(lèi)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(jì)算方法來(lái)預(yù)報(bào)。該船波浪預(yù)報(bào)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(duì)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(lái)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(duì)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(kāi)孔等)需要采用細(xì)化網(wǎng)格的方法進(jìn)行計(jì)算。