半潛船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

許旸

摘要：半潛船具有作業(yè)工況多、裝載貨物不確定及船型寬扁的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核有別于普通運(yùn)輸船。本文通過(guò)對(duì)某50 000 DWT半潛船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究分析，闡述了半潛船船型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為半潛船設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核提供參考。

關(guān)鍵詞：半潛船；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

1.前言

半潛船是海洋油氣開(kāi)發(fā)和海上工程的利器，它不僅可適用于油田導(dǎo)管架、石油開(kāi)采平臺(tái)及配套海上結(jié)構(gòu)物的下水，海洋石油導(dǎo)管架組件的“浮托法”安裝，大型跨海大橋結(jié)構(gòu)物、集裝箱橋吊、大型工程船舶的遠(yuǎn)距離調(diào)遣，還可用于難船的起浮、移位、運(yùn)輸以及作為打撈救助作業(yè)平臺(tái)。半潛船作為特種海洋工程船，船體必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度及一定的安全儲(chǔ)備。由于半潛船的船型寬扁，尺度比不在規(guī)范的范圍內(nèi)；營(yíng)運(yùn)和作業(yè)工況多；裝載貨物結(jié)構(gòu)及種類(lèi)不確定性等特點(diǎn)。在半潛船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理解決如下幾項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)：（1）全船骨架形式的確定；（2）船體中橫剖面設(shè)計(jì)；（3）尾浮箱固定及移動(dòng)、縱艙壁過(guò)渡區(qū)域等重要部位局部強(qiáng)度的加強(qiáng)。（4）波浪彎矩及剪力計(jì)算預(yù)報(bào)。

2.半潛船全船骨架形式選取

根據(jù)半潛船的作業(yè)特點(diǎn)，其作業(yè)工況有：無(wú)限航區(qū)航行、半潛作業(yè)和尾部（尾部上貨比橫向要求高，計(jì)算時(shí)考慮尾部上貨工況）上貨三種工況，每種工況又有許多種不同的裝載狀態(tài)。全船骨架形式的確定必須綜合考慮各工況及其不同狀態(tài)對(duì)強(qiáng)度的要求。

結(jié)合50 000 DWT半潛船的主尺度及搶險(xiǎn)打撈和運(yùn)營(yíng)中尾部上貨工況的情況，主船體（包括主甲板，平臺(tái)，縱壁，舷側(cè)和船底）采用縱骨架式，以保證該船有足夠的總強(qiáng)度。考慮該船在打撈和運(yùn)營(yíng)中也存在橫向上貨的情況，故載貨區(qū)域沿船長(zhǎng)方向每3個(gè)肋位（2400mm）設(shè)置橫向強(qiáng)框架用于支撐縱向構(gòu)件，全船水密橫艙壁扶強(qiáng)材為垂向布置，以保證船體橫向強(qiáng)度。

主船體為雙甲板、雙底、單殼結(jié)構(gòu)，主甲板到船底設(shè)有兩道首尾貫通的連續(xù)縱艙壁及11道水密橫艙壁?？v艙壁區(qū)域設(shè)置縱向通道，位于雙層底與2甲板之間。

船體縱向連續(xù)構(gòu)件自船舯向首、尾盡可能延伸，船體主要構(gòu)件保持連續(xù)貫通，中斷時(shí)適當(dāng)做了過(guò)渡和補(bǔ)償加強(qiáng)。

3.半潛船船體中橫剖面

船體中橫剖面是承受和傳遞船舶自身載荷、貨物載荷、靜水載荷和波浪載荷關(guān)鍵結(jié)構(gòu)；是空船重量重心控制、獲取較大剖面模數(shù)的主要方面；是提高船舶強(qiáng)度、確保半潛船功能（大裝載能力和下潛）實(shí)施的重要環(huán)節(jié)。中橫剖面上結(jié)構(gòu)件的布置會(huì)直接影響到總體結(jié)構(gòu)的合理性。以較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式、盡量輕的結(jié)構(gòu)重量、獲取較大中剖面模數(shù)、傳承船舶的靜水彎矩和波浪彎矩、滿(mǎn)足總縱強(qiáng)度的要求，是船體結(jié)構(gòu)研究和設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

為此，中橫剖面設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮載荷（靜水彎矩和波浪彎矩）、骨架形式、骨材形式選取、材料選擇等因素影響。本半潛船的結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸通過(guò)多種途徑對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸及形式進(jìn)行優(yōu)化：

（1）主船體（包括首樓、尾浮箱）采用AH36、DH36或EH36高強(qiáng)度鋼，以盡量輕的鋼料重量獲取較大的剖面模數(shù)，使船體中橫剖面的設(shè)計(jì)既滿(mǎn)足總體I生能對(duì)結(jié)構(gòu)重量的控制要求，又保障該船的總強(qiáng)度以及局部強(qiáng)度，使該船的結(jié)構(gòu)達(dá)到相對(duì)最優(yōu)化。

（2）主甲板采用普通鋼，且主甲板板厚在滿(mǎn)足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上需再加厚3 mm的裕量，以適應(yīng)打撈作業(yè)和重大件裝卸載過(guò)程中產(chǎn)生的磨損要求。

（3）該船的特殊構(gòu)件通過(guò)局部強(qiáng)度分析確定，并作適當(dāng)加強(qiáng)。

剖面模數(shù)計(jì)算時(shí)，強(qiáng)力甲板（載貨甲板）及其以下所有在0.4L區(qū)域內(nèi)連續(xù)的縱向構(gòu)件的剖面積，均可計(jì)入船體梁剖面模數(shù)。將船體梁橫剖面對(duì)其水平中和軸的慣性矩，除以中和軸至強(qiáng)力甲板邊線的垂直距離，可得出甲板處的船體梁剖面模數(shù)Wd；除以從中和軸至平板龍骨上表面的垂直距離，可得出船底處的船體梁剖面模數(shù)Wb。

4.船舶總縱強(qiáng)度分析

半潛船由于首部布置有高大首樓，尾部布置有尾浮箱，無(wú)論是航行工況還是下潛工況，其中拱彎矩遠(yuǎn)大于中垂彎矩。有效降低中拱彎矩是減少船體梁彎曲的重要手段。

4.1船體靜水浪彎矩和切力

靜水彎矩和靜水切力可由船舶的裝載情況獲得其各工況下半潛船的縱向分布載荷，計(jì)算船體梁各橫剖面處的靜水彎矩MS和靜水切力FS。

4.2船體梁波浪彎矩和波浪切力

半潛船屬于特種工程船，其運(yùn)輸對(duì)象主要是海上重大結(jié)構(gòu)物、導(dǎo)管架以及各類(lèi)大型鉆井平臺(tái)等。因此，半潛船對(duì)船寬參數(shù)要求高，相對(duì)于其他運(yùn)輸船來(lái)說(shuō)比較寬扁，系非常規(guī)船型。其主尺度不滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的適用范圍（L/B>5、B/D<2.5），波浪載荷（波浪彎矩MW和波浪切力FW）將采用直接計(jì)算法確定。具體步驟如下：

（1）波浪載荷直接計(jì)算的假定

無(wú)限航區(qū)的船舶，波浪載荷的預(yù)報(bào)采用基于北大西洋海洋環(huán)境的IACS（國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)）Ree.34波浪統(tǒng)計(jì)資波浪統(tǒng)計(jì)資料；對(duì)于半潛船，航行工況的波浪載荷采用長(zhǎng)期預(yù)報(bào)結(jié)果，半潛作業(yè)和尾部上貨工況的波浪載荷采用短期預(yù)報(bào)結(jié)果；對(duì)于有限航區(qū)的船舶，波浪載荷的預(yù)報(bào)需基于所航行海區(qū)的波浪統(tǒng)計(jì)資料，如所航行海區(qū)的波浪統(tǒng)計(jì)資料不限于一種，則選取其中最嚴(yán)重的一種進(jìn)行計(jì)算。

（2）波浪載荷計(jì)算的水動(dòng)力模型

波浪載荷直接計(jì)算的水動(dòng)力模型應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：能正確反映實(shí)船的質(zhì)量及分布，確保質(zhì)量與實(shí)船的誤差不大于0.1%，重心位置與實(shí)船的誤差不大于0.1%L；濕表面應(yīng)足夠精細(xì)，能夠在水動(dòng)力意義上準(zhǔn)確地描述實(shí)船的形狀，排水量與實(shí)船的誤差不大于0.1%，浮心位置與實(shí)船的誤差不大于0.1%L，網(wǎng)格數(shù)一般不小于2 000。

（3）波浪彎矩和波浪切力計(jì)算

根據(jù)上述的有關(guān)規(guī)定要求和原則建立的水動(dòng)力計(jì)算模型，計(jì)算作用在船體上的流體動(dòng)力，獲得波浪誘導(dǎo)的船體剖面剪力和彎矩載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)，就可預(yù)報(bào)半潛船航行工況下10-8超越概率水平的船體剖面垂向波浪彎矩和垂向波浪剪力的長(zhǎng)期極值，及下潛典型作業(yè)工況和假定期望的最危險(xiǎn)作業(yè)工況在短期環(huán)境條件下的船體剖面垂向波浪彎矩和垂向波浪剪力的短期期極值。

4.3總縱強(qiáng)度

由直接計(jì)算確定半潛船無(wú)限航區(qū)航行、半潛作業(yè)和尾部上貨工況的波浪彎矩和波浪切力結(jié)果，用于半潛船的總縱強(qiáng)度校核。

5.結(jié)束語(yǔ)

半潛船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度除了像普通貨船一樣按規(guī)范要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還要考慮它裝載均質(zhì)貨或重大特殊貨物集中載荷等不同貨物結(jié)構(gòu)對(duì)船舶總縱強(qiáng)度、橫向強(qiáng)度的影響，特別是要對(duì)尾部上貨或側(cè)向（橫向）上貨等不同裝載方式對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響給予充分考慮。在半潛船未來(lái)的發(fā)展中，隨著新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，將會(huì)設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更加合理，船舶綜合性能更加優(yōu)越，更加適應(yīng)作業(yè)使用需要的半潛船。