深海平臺組塊運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)及其可靠性研究

余 楊，曾曉輝

（中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100190）

深海平臺組塊運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)及其可靠性研究

余 楊，曾曉輝

（中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100190）

根據(jù)我國海洋油氣開發(fā)的需要，研究出一種可用于深海的大型構(gòu)件、平臺組塊運(yùn)輸?shù)男滦图装暹\(yùn)輸船。文中著重對其總縱強(qiáng)度和橫向強(qiáng)度進(jìn)行深入分析，優(yōu)化出可滿足任何海域的結(jié)構(gòu)形式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠性的研究。

甲板運(yùn)輸船；可靠性；結(jié)構(gòu)設(shè)計；總縱強(qiáng)度

1 課題來源與研究現(xiàn)狀

本課題來源于實(shí)際工程，研究所依據(jù)的母船型為“海洋石油226”甲板運(yùn)輸船，其主要用于運(yùn)送特大件或重大件。能源現(xiàn)在逐漸成為了世界各國的立國之本，特別是隨著近年來對海洋開發(fā)力度的不斷加大，致使其相關(guān)船業(yè)發(fā)展必須跟得上節(jié)奏。工程設(shè)備甚至工程組塊先在低勞動力成本地區(qū)建造，再運(yùn)輸?shù)巾椖康亟M裝的建造模式被越來越多的國家和企業(yè)所接受。海洋工程類的重大構(gòu)件以及特種雜貨運(yùn)力2010年總體呈平緩增長的狀況。在這種條件下，以甲板駁船為藍(lán)本的運(yùn)送海洋工程平臺等重大構(gòu)件的甲板運(yùn)輸船備受青眜。因其對甲板強(qiáng)度要求極高，船寬過大導(dǎo)致總縱強(qiáng)度計算復(fù)雜，因而在設(shè)計上存在一定的難點(diǎn)。

2 總解決思路與設(shè)計方案研究

船的主尺度為：總長205.2 m，計算船長197 m，船寬45 m，型深10 m，設(shè)計吃水7 m，結(jié)構(gòu)吃水9 m，方形系數(shù)為0.873。

設(shè)計船因其用途，應(yīng)該具有較大的船寬，較富裕的干舷以便使其靜穩(wěn)性曲線的穩(wěn)距值更大、穩(wěn)性消失角更大，以獲得很好的穩(wěn)性。同時又因?yàn)樗d貨物具有重量大、重心高、體積大、受風(fēng)面積大的特點(diǎn)，故穩(wěn)性也成為運(yùn)輸船能否實(shí)施的控制因素；因其作業(yè)的環(huán)境，故船長需滿足一定要求，以便該船能夠具有較好的耐波性。

因載貨形狀的不規(guī)則和重量的不平均，該船載貨甲板的單位面積設(shè)計載荷達(dá)到了16 t/m2，應(yīng)當(dāng)指出甲板的強(qiáng)度，特別是甲板邊板的局部強(qiáng)度需要特別注意。當(dāng)重大件貨物裝載于駁船上運(yùn)輸時，船體結(jié)構(gòu)不僅要承受其重量，而且因?yàn)榻壴庸淌沟秘浳锊恢劣谟捎隈g船的搖晃而移位或傾斜，加固強(qiáng)度問題也需要考慮。

與傳統(tǒng)的貨物運(yùn)輸不同，用于重大件運(yùn)輸?shù)募装羼g是一種不同于一般貨船的特殊船舶。該類駁船具有很大的開放式甲板，適宜于裝載重大件貨物。也正因?yàn)槿绱藢υ擃愡\(yùn)輸駁船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有特殊的要求。利用駁船運(yùn)輸重大件貨物，駁船總縱強(qiáng)度是能夠調(diào)整的，可以利用適當(dāng)配載和壓載很容易滿足，而駁船船體局部強(qiáng)度則是必需滿足規(guī)范要求無法通過其他方法調(diào)整，只能在構(gòu)件選取時將問題考慮全面。

船東要求本船的型深需保持在11 m，但由于本船垂線間長已經(jīng)達(dá)到197 m，因貨物寬度以及穩(wěn)性要求，船寬也達(dá)到了45m；因此其慣性矩以及剖面模數(shù)如要滿足規(guī)范要求，則需要在構(gòu)件選取上反復(fù)嘗試。特別是某些構(gòu)件的穩(wěn)定性問題也需要引起我們一定的重視，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題自從提出來以后一直受到學(xué)者們的高度重視，并取得了豐富的研究成果。但是，在工程實(shí)踐中，對這一問題往往沒有引起足夠的重視，致使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞時都?xì)w咎為強(qiáng)度不足所致。而且，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的失穩(wěn)具有突然性和隱蔽性，但其引發(fā)的對構(gòu)件的影響更具破壞力。因此在選取構(gòu)件時部分尺寸較大，高度或腹板高度較大，局部構(gòu)造發(fā)生變化的，需要將穩(wěn)定性考慮其中。

作為一艘排水量超過50 000 t的甲板運(yùn)輸船，某一個構(gòu)件的選取都對耗材有不小的影響。原料上更要精打細(xì)算，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算時，對于外板，桁材，骨材的選擇中，無論是型狀，還是尺寸都應(yīng)反復(fù)比較，力求使用最優(yōu)方案。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

在對于主尺度較大的甲板運(yùn)輸船進(jìn)行設(shè)計時，有以下幾點(diǎn)需要格外注意：

（1）設(shè)計樣船的長度達(dá)到 205.2 m，寬度 45 m，型深11 m，可以看為是一個扁長體。想要保證其總縱強(qiáng)度能夠符合規(guī)范的要求，全船甲板骨架就最好能保證較好的連續(xù)性。同時計算船舶滿載出港狀態(tài)時，因船腫大件貨物重量很大，因此更需要構(gòu)件保持連續(xù)性。

（2）設(shè)計樣船載貨區(qū)域的設(shè)計單位載荷達(dá)到了20 t/m2。這需要有盡量多的構(gòu)件來分擔(dān)甲板所傳遞的力，以使得各構(gòu)件的彎曲都在一個較合理的范圍之內(nèi)?？v骨架式結(jié)構(gòu)的受力、傳力參與的構(gòu)件更多，更利于用于高荷載的甲板使用。

（3）設(shè)計樣船的寬度45 m，型深11 m，b/d的值很大，因此本船強(qiáng)度要求的船腫橫剖面模數(shù)及剛度要求的船腫橫剖面慣性矩如要滿足規(guī)范，那么全船就必須有足夠多的縱向構(gòu)件。船艏部分，船體輪廓線收的比較厲害，延船長方向的寬度變化很快，在這里縱向構(gòu)件的連續(xù)性就難以保證，而橫骨架式恰恰能夠給予其橫向構(gòu)件的連續(xù)性。

（4）僅雙層底艙全部進(jìn)行壓載，故發(fā)電機(jī)和主機(jī)都在船尾因此船尾機(jī)艙的重量較大，所以通常會發(fā)生尾傾，為了減少尾傾，船艏部需要使用雙層底并且加大艏部雙層底的高度。同時船首重量橫骨架式略大于縱骨架式，提高了船艏重量，避免尾傾。

4 可靠性分析方法[2]

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全裕度及失效衡準(zhǔn)的生成，對桿元兩端依次進(jìn)行編號，這時剛域外側(cè)的彈塑性桿元端（桿元編號為t）的安全裕度

根據(jù)剛架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效的定義，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)形成一定的塑性鉸組合，使結(jié)構(gòu)成為機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)才會失效。考慮剛域影響的桿元剛度方程：

在對所有桿元都計算了修正剛度矩陣以及等效節(jié)點(diǎn)力之后，便可組成新的整體剛度矩陣：

于是考慮了剛域影響的總體剛度方程為：

由(3)可得對應(yīng)于總體坐標(biāo)系的總體位移向量；

由式(6)可得桿元i對應(yīng)于總體坐標(biāo)系的節(jié)點(diǎn)位移向量

式中：（Kt（p）-1）是由矩陣（dt）D中抽出的對應(yīng)于向量各行組成的矩陣。

若（δt）D與（dt）D的關(guān)系通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣 Tt表示成（δt）D=Tt（dt）D，且把式(7)代入式(2)，則桿元 t的節(jié)點(diǎn)力向量為：

當(dāng)桿元端r1，r2，……rp-1失效后，沒有失效的殘存桿元端i（桿元編號為t）的安全裕度方程為：

式中：αirk（p）為殘留強(qiáng)度影響系數(shù)；bij為載荷影響系數(shù)；Lj為外載荷。

關(guān)于引起結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效的塑性破壞是否產(chǎn)生，分析方法為，當(dāng)桿元端 r1，r2，……rp-1已失效，修正總體剛度矩陣 KD（p）或節(jié)點(diǎn)位移向量dD（Pq）滿足下述條件，則認(rèn)為產(chǎn)生塑性破壞：

式中：||·||為歐幾里德范數(shù)；ε1，ε2為判斷破壞的常數(shù)。

關(guān)于系統(tǒng)的失效概率，可采用Ditlevsen方法并輔以被舍棄路徑對上界的貢獻(xiàn)量進(jìn)行計算。

根據(jù)以上方法，由此計算本船的橫框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)為5.37，滿足無限海域的可靠度要求。因此本船具有較高的可靠度。

5 算列

設(shè)計船空載到港狀態(tài)：如圖1～圖3所示。（典型）

圖1 載荷分布

但τ＞＞[τ]=110/K，剪切應(yīng)力力分布不符合要求。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]方法，由此計算本船的橫框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠指標(biāo)為5.37.船舶總縱強(qiáng)度可靠指標(biāo)為5.49。

圖2 剪力值

圖3 彎矩值

6 結(jié)論

本設(shè)計船型的橫向強(qiáng)度可靠性指標(biāo)滿足要求。在總縱強(qiáng)度的校核中發(fā)現(xiàn)沿船長方向局部的剪切力過大，修改方案通常為重新對壓載水艙進(jìn)行壓載。在保證全船略微尾傾，船艏的球鼻艏不冒出水面的前提下，將個別壓載較集中的邊壓載水艙、壓載水艙中的水荷載調(diào)動到船尾部水艙一部分、船艏部水艙一部分以便減少某一位置上重量分布的突變，減小全船的最大剪切應(yīng)力。同時，調(diào)整縱向構(gòu)件的尺寸，在滿足最小剖面模數(shù)和最小慣性矩的前提下，減小靜矩。

通過對問題的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)解決局部剪切應(yīng)力過大的根本方法是對于艏部和尾部的型線進(jìn)行進(jìn)一步的修改。因?yàn)閷?shí)船比母型船寬很多，為了保證航速，艏部型線收的很厲害。雖然這減少了船艏部的阻力，但也減少了船艏部的浸水面積，影響到了浮力的均勻分布。同時對首尾吃水高度進(jìn)行重新計算，提高準(zhǔn)確度。

[1]吳仁元.船舶結(jié)構(gòu)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1986.

[2]余建星.船舶與海洋結(jié)構(gòu)物可靠性原理[M].天津：天津大學(xué)出版社,2001.

[3]船舶結(jié)構(gòu)理論與計算[M].北京：國防工業(yè)出版社，1986.

[4]陳雪深.船舶原理與結(jié)構(gòu)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1996.

[5]楊代勝.船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社.1981.

[6]茆文玉.船舶制圖（修訂本）[M].北京：國防工業(yè)出版社.1986.

[7]曾廣武.船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算與優(yōu)化設(shè)計[M].北京：人民交通出版社.2002.

[8]鄭學(xué)祥.船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的斷裂與疲勞分析[M].北京 海洋出版社1988.

Study on Structure and Reliability of Ocean Platform Component Carrier

YU Yang,ZENG Xiao-hui
（Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China）

According to the needs of our ocean gas and oil exploitation,a new deck and hold supply carrier is researched,which is suitable for transiting heavy structural member and platform chunking.The longitudinal strength and transversal strength is analyzed mainly.The structural form to satisfy any maritime space and the reliability are studied at last.

deck and hold supply carrier;reliability;structural design;longitudinal strength

P751

A

1003-2029（2011）02-0032-03

2011-02-18

國家自然科學(xué)基金資助項目（10702246,10702073）；國家高科技重大專項資助項目（2008ZX05026-005）；上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金項目；國家高科技研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2008AA09Z307）