大型4 島式半潛船結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度評估研究

荊海東 楊 青

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

半潛船從外形特征上分為常規(guī)3 島式半潛船和4 島式半潛船。3 島式半潛船擁有高大的艏樓，生活區(qū)全部設(shè)置在艏樓上，機(jī)艙多布置于艏樓下。常規(guī)半潛船大多采用3 島式設(shè)計，其在裝運(yùn)超大超高貨物時，駕駛室視線不受遮擋，且高大艏樓在迎風(fēng)航行時有利于遮擋后方不規(guī)則貨物，減少風(fēng)阻，艏樓后方的開敞甲板有利于裝卸貨物的操作，如圖1所示。

圖1 常規(guī)大型3島式半潛船總體布局

隨著海洋工程裝備大型化和多樣化，越來越多的超大和超長貨物出現(xiàn)，對于尺寸較長的貨物，常規(guī)半潛船雖可采用部分懸挑出船體的方式裝運(yùn)，但由于半潛船總體穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及被運(yùn)貨物強(qiáng)度的限制，懸挑長度是受限的，無法裝載超長貨物。因此，為滿足超長貨物的運(yùn)輸需求，建造了4 島式半潛船。Boskalis 公司于2012年建造完成現(xiàn)世界上最大的半潛船“Vanguard”輪為目前唯一的4 島式半潛船。

半潛船的載貨能力由甲板面積（長度×寬度）、甲板形式（全通甲板或非全通甲板）、調(diào)載能力（可用壓載水量）、穩(wěn)性、甲板承載能力和許用靜水彎矩剪力等決定。根據(jù)半潛船的船型特點，總結(jié)大型半潛船的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如圖2 所示。

圖2 半潛船設(shè)計流程

本文在總結(jié)我院大型半潛船結(jié)構(gòu)設(shè)計工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，以正在設(shè)計的大型4 島式半潛船為基礎(chǔ)，重點闡述大型4 島式半潛船的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核的思路方法。4 島式半潛船載貨復(fù)雜多樣，其設(shè)計既要兼顧目前已有船舶和平臺運(yùn)輸，又要兼顧未來裝運(yùn)船舶和平臺的運(yùn)輸，參見圖1 和下頁圖3。

圖3 大型4島式半潛船總體布局

1 常規(guī)半潛船結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 甲板載荷設(shè)計及分析

甲板承載能力是關(guān)系半潛船運(yùn)輸能力的極為重要的關(guān)鍵指標(biāo)，確定合理的甲板承載能力是半潛船設(shè)計的基礎(chǔ)。通常半潛船采用以下3 種綁扎形式（不同綁扎形式對應(yīng)不同的甲板載荷）：

（1）甲板鋪設(shè)木塢墩，貨物擺放在木塢墩上（絕大多數(shù)貨物均采用此運(yùn)輸方式）；

（2）貨物通過在船體上設(shè)置基座方式與船體連接（特種用途起重半潛船多采用此方式）；

（3）質(zhì)量較集中的貨物通過鋼格柵（grillage）布置在船體上，對于局部載荷較大的貨物通常采用此種連接方式（如各種上部模塊等，模塊單腿質(zhì)量可達(dá)5000 t）。

通常，對于中小型半潛船來說，甲板載荷由船東指定，一般為15～25 t/m2，但甲板載荷如何確定較少提及。對于載荷具體定義并不明顯。目前對于載荷有兩種認(rèn)識，一種為甲板載荷為靜載荷，另一種為動載荷和靜載荷之和。兩者的本質(zhì)區(qū)別在于載荷中是否包含貨物橫搖和縱搖對于動載荷的影響。

1.2 設(shè)計許用彎矩剪力

許用靜水彎矩剪力關(guān)系到船舶的載貨能力和靈活性，在船舶主尺度等主要要素確定后，波浪彎矩大致確定，許用靜水彎矩剪力與中剖面形狀直接相關(guān)。提高許用靜水彎矩剪力會提高半潛船的裝載靈活性，但相應(yīng)會導(dǎo)致半潛船的鋼料質(zhì)量增加，引起空船質(zhì)量增加，導(dǎo)致總載貨指標(biāo)下降。

半潛船由于其特殊的作業(yè)方式，型深通常受限，為追求載貨能力，寬度一般較寬，L/B和B/D均不滿足規(guī)范波浪彎矩剪力經(jīng)驗公式計算的前提條件，波浪載荷需進(jìn)行直接計算預(yù)報。對于半潛船這類船型，許用總彎矩中波浪彎矩占比較大，前期設(shè)計中若采用規(guī)范計算值進(jìn)行中剖面設(shè)計，則會降低船體強(qiáng)度的裕度儲備，出現(xiàn)鋼料估計偏輕等問題。

圖4 4島式半潛船濕表面模型

1.3 中剖面設(shè)計

船體中橫剖面設(shè)計是船舶設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有效確定中橫剖面是提高船舶強(qiáng)度和性能的重點。中橫剖面上構(gòu)件的布置既要滿足半潛船承受載荷和傳遞載荷的要求，又要使其結(jié)構(gòu)型式盡量簡單，便于施工；同時還要優(yōu)化板厚和構(gòu)件配置，用盡量少的鋼料來滿足強(qiáng)度和性能要求。設(shè)計中需關(guān)注船東的用船需求，防止引起不必要的修改和返工。

1.3.1 剖面形式

大型半潛船根據(jù)總體壓載水調(diào)整的要求，通常采用上、中、下三層艙的設(shè)計，因此采用雙甲板和雙層底的結(jié)構(gòu)形式，而雙甲板和雙層底的形式會增強(qiáng)甲板的承載能力，如圖5 所示。

圖5 某10萬噸級半潛船

1.3.2 構(gòu)件尺寸確定

局部構(gòu)件尺寸根據(jù)船級社規(guī)范對半潛船壓載艙和干艙的要求計算確定初始板厚，主甲板和外板除需滿足深艙要求外，還要滿足總縱強(qiáng)度的剖面模數(shù)和慣性矩要求。由于主甲板上載有重貨，會對主甲板產(chǎn)生額外的局部載荷，為控制主甲板應(yīng)力，通常半潛船剖面設(shè)計會在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上使剖面中和軸盡量貼近主甲板。

目前大型半潛船多采用泵排壓載水和壓縮空氣排壓載水兩種方式，構(gòu)件計算可按照CCS 和DNV 的相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行。隨著半潛船的大型化，用來排壓載水的壓縮空氣設(shè)計壓力越來越大，甚至達(dá)到了0.3 MPa（30 m 水壓）以上，液艙承受如此大的壓縮空氣壓力，DNV 建議構(gòu)件許用應(yīng)力需進(jìn)行折減，但沒有給出具體的折減數(shù)值。對于具體折減，建議參照相關(guān)壓力容器的設(shè)計進(jìn)行折減。

1.3.3 全船材料

為保證裝載能力，半潛船除主甲板和甲板室外，其他區(qū)域均采用高強(qiáng)鋼。目前國內(nèi)半潛船主甲板主流均采用普通鋼的設(shè)計。普通鋼相對高強(qiáng)鋼有獨特的優(yōu)勢，采用普通鋼，貨物綁扎時焊接要求較低，可采用普通的酸性焊條，焊接性能優(yōu)良，焊接時不需要特殊的工藝措施，且不容易出現(xiàn)焊接缺陷。相較于普通鋼，高強(qiáng)鋼需采用堿性焊條焊接，焊接較為復(fù)雜，工藝處理要求較高，對焊工要求較高，若焊接控制不當(dāng)，容易損傷母材，產(chǎn)生裂紋，而一旦產(chǎn)生裂紋，在高應(yīng)力情況下擴(kuò)展較快。高強(qiáng)鋼的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在，鋼料質(zhì)量相同的情況下，高強(qiáng)鋼可達(dá)到更高的許用靜水彎矩水平，未來裝貨的拓展能力和調(diào)載靈活性遠(yuǎn)高于普通鋼。但采用普通鋼降低了船東后續(xù)運(yùn)營成本，目前，國外船東由于采用專業(yè)化團(tuán)隊對貨物進(jìn)行綁扎和解綁處理，傾向于采用高強(qiáng)鋼。而國內(nèi)船東貨物綁扎和解綁通常由船員兼職，傾向于采用普通鋼，但值得注意的是隨著半潛船的大型化，主甲板采用普通鋼后厚度往往超過50 mm，焊接要求同樣較高，主甲板材質(zhì)的選擇需謹(jǐn)慎對待。

2 4 島式半潛船結(jié)構(gòu)設(shè)計特點和關(guān)鍵區(qū)域

4 島式半潛船結(jié)構(gòu)承載區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計與3 島式半潛船類似，由于4 島式半潛船獨特的船型和載貨特點，結(jié)構(gòu)設(shè)計也有其獨特設(shè)計特點。

2.1 主甲板材質(zhì)

4 島式半潛船材料的選擇大致上與常規(guī)三島式半潛船一致，常規(guī)3 島式半潛船由于前端高大艏樓中斷位置總縱強(qiáng)度影響較小，但對于4 島式半潛船來說，4 島式半潛船邊島區(qū)域位于船中且存在較多開孔，設(shè)計時此處需采用高強(qiáng)鋼。

值得注意的是，由于4 島式半潛船首尾均可懸挑裝載貨物，相較于常規(guī)3 島式半潛船，4 島式半潛船設(shè)計需更大的許用靜水彎矩和剪力。主甲板采用高強(qiáng)鋼的優(yōu)點較為突出，達(dá)到同樣設(shè)計能力情況下，采用高強(qiáng)鋼可節(jié)省約1300 t 鋼料。

2.2 構(gòu)件尺寸與布置

目前4 島式半潛船的設(shè)計承載均用于運(yùn)輸更大更重結(jié)構(gòu)，甲板設(shè)計載荷局部達(dá)到90 t/m2，對剖面承載提出了更高的要求，圖6 和圖7 分別列出2 艘大型4 島式半潛船的剖面形式。

對比常規(guī)3 島式半潛船和4 島式半潛船剖面形式，主要存在以下不同，如表1 所示。

圖6 某11萬噸級4島式半潛船橫剖面圖

圖7 8萬噸4島式半潛船典型橫剖面

表1 剖面形式對比

平直內(nèi)甲板結(jié)構(gòu)形式簡單、結(jié)構(gòu)設(shè)計方便，可降低建造難度并減少建造工作量，同時設(shè)備布置空間規(guī)整，布置較為方便。

相較平直內(nèi)甲板，斜甲板結(jié)構(gòu)形式略顯復(fù)雜，增加了建造難度且增加建造工作量。為方便設(shè)備布置艏艉的設(shè)備艙區(qū)域，通常需過渡回平甲板，造成過渡區(qū)液艙形狀不規(guī)則。但相對平直內(nèi)甲板，斜甲板有獨特的優(yōu)勢。由于載貨區(qū)主甲板下基本上是壓載水艙，采用斜甲板可以充分利用艙容及避免氣鎖的形成，同時可以提高排壓載效率?？紤]到實際裝載時的泥沙沉積，可將上甲板骨材下翻，以減少泥沙沉積和降低清淤難度。但骨材下翻導(dǎo)致支撐骨材的橫向強(qiáng)框下翻，引起質(zhì)量增加，同時骨材下翻會占用設(shè)備艙室位置減少設(shè)備艙空間，增加了布置難度。

由于載貨要求不同，11 萬噸4 島式半潛船和8 萬噸4 島式半潛船均采用7 道縱艙壁的形式，10 萬噸3 島式半潛船采用3 道縱艙壁的形式。半潛船縱艙壁的設(shè)置與甲板設(shè)計載荷密切相關(guān)，非水密縱艙壁數(shù)量增加，橫向框架跨距變短，支撐能力增強(qiáng)，跨距變短可有效降低橫向框架的應(yīng)力水平，減小構(gòu)件尺寸。增加非水密縱壁縱艙壁有利于提高半潛船的抗剪強(qiáng)度。同時，非水密縱艙壁數(shù)量增加，可方便甲板設(shè)計載荷的分區(qū)設(shè)計，增加載貨的靈活性。機(jī)艙區(qū)非水密縱壁的設(shè)置會對機(jī)艙區(qū)的布置帶來一定影響，提高了機(jī)艙布置的難度。縱艙壁數(shù)量增加后，雖然整體質(zhì)量增加不大，但焊接工作量增加較多，且增加了機(jī)械艙室的布置難度。

2.3 4島式關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計

與常規(guī)3 島式半潛船相比，4 島式半潛船結(jié)構(gòu)船型特殊，結(jié)構(gòu)設(shè)計存在瓶頸和關(guān)鍵區(qū)域，設(shè)計者需注意：

（1） 4 島式半潛船艏樓位于舷側(cè)偏艏位置，為保證甲板凈寬度，艏樓需盡量靠近舷側(cè)布置，如圖8 和圖9 所示。

圖8 邊島后端壁

圖9 邊島前端壁

由于4 島式半潛船連接面積較小，機(jī)艙相關(guān)通風(fēng)排氣、電氣電纜相關(guān)控制走向、舾裝相關(guān)通道、空調(diào)相關(guān)通風(fēng)均需通過狹窄的邊島區(qū)域，導(dǎo)致此處甲板幾乎完全開掉，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的損壞較大。同時由于邊島狹長，整體高度較高，重心較高，剛度較弱，邊島的強(qiáng)度、疲勞、振動都需要特別關(guān)注。邊島區(qū)的外飄需特別考慮外飄砰擊加強(qiáng)。

（2） 常規(guī)3 島式半潛船艏樓通常位于最艏部0.15L范圍內(nèi)，此處波浪彎矩和靜水彎矩較小，同時艏樓長度較小，總縱強(qiáng)度參與度較低。因此艏樓和外板連接肘板應(yīng)力水平較低，屈曲強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均較易滿足規(guī)范要求。對于大型4 島式半潛船來說，由于邊島后側(cè)位于船中0.5L范圍內(nèi)，且由于橫向上貨寬度要求，邊島縱向連接肘板尺寸受限無法做大，邊島縱向肘板的強(qiáng)度和疲勞特別關(guān)鍵，設(shè)計者需特殊關(guān)注。值得注意的是此處應(yīng)力集中較嚴(yán)重，縱骨間距網(wǎng)格無法完全反應(yīng)此位置處的應(yīng)力集中效應(yīng)，需通過精細(xì)有限元模型評估相關(guān)位置的強(qiáng)度和疲勞。

（3）艏樓根部對應(yīng)區(qū)域的主甲板、圍壁板和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)厚度應(yīng)適當(dāng)加厚，以補(bǔ)償開孔造成的損失，并增加支撐剛度，考慮到此處甲板承受垂直于板厚方向的應(yīng)力，甲板板易產(chǎn)生層狀撕裂，相關(guān)區(qū)域需采用Z 向鋼。

（4）由于機(jī)艙的通風(fēng)排氣均需通過右舷邊島向上通過，特別是自然通風(fēng)會導(dǎo)致開孔增多，機(jī)艙區(qū)縱艙壁需開設(shè)較多通風(fēng)排氣孔，剪切強(qiáng)度損失較大，而此處位于艏部0.25L位置，波浪和靜水剪力均處于最大位置。壓載艙采用設(shè)置非水密縱壁的方式增強(qiáng)半潛船能力，若非水密縱壁中斷在機(jī)艙位置，會帶來結(jié)構(gòu)承載能力的急劇下降，建議機(jī)艙區(qū)仍然維持非水密縱壁的設(shè)置，并對此處縱壁加強(qiáng)以保證剪切強(qiáng)度。

（5）不同于常規(guī)3 島式半潛船，4 島式半潛船一般需將錨機(jī)置于主甲板之下，由于主甲板型深受限，錨機(jī)高度導(dǎo)致錨機(jī)上方甲板橫梁和縱骨尺寸受限，此處甲板載荷將適當(dāng)降低。

（6）總體專業(yè)若從阻力方面考慮設(shè)置球鼻艏，由于型深較小，船寬較大，設(shè)置球艏后船體外飄較大，設(shè)計時需特別關(guān)注艏部外飄砰擊加強(qiáng)。

（7）由于懸伸貨物會對船體局部造成較大的彎矩剪力，總縱強(qiáng)度計算需特別注意貨物懸伸對于靜水彎矩的貢獻(xiàn)，如圖10 所示。

圖10 懸伸貨物示意圖

3 大型4 島式半潛船強(qiáng)度評估

對于大型半潛船，按照船級社規(guī)范設(shè)計的船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，雖然總體上滿足規(guī)范要求的安全性指標(biāo)，但無法給出構(gòu)件中的詳細(xì)應(yīng)力分布和安全裕度等信息。需通過有限元校核其橫向強(qiáng)度和縱向構(gòu)件的強(qiáng)度。大型半潛船通常需進(jìn)行艙段有限元、精細(xì)有限元和全船有限元3 個層面的校核，以保證最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.1 艙段有限元評估

半潛船通常要求結(jié)構(gòu)設(shè)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，目前艙段有限元的計算通常參照雙殼油船的相關(guān)要求和邊界進(jìn)行計算。設(shè)計工況需組合出最不利工況進(jìn)行校核。

半潛船載貨工況復(fù)雜且壓載艙調(diào)載復(fù)雜多變，主甲板、縱艙壁和外板等縱向構(gòu)件不僅參與總縱強(qiáng)度，還要承受甲板載荷、舷外海水壓力和艙內(nèi)壓載水等載荷。依據(jù)相關(guān)規(guī)范、計算指南要求，對船體進(jìn)行艙段有限元校核。校核按實際裝載情況，分別選取可能出現(xiàn)艙室局部惡劣裝載工況、航行工況、下潛工況、橫傾工況及艉部上貨工況，并與甲板裝均質(zhì)貨、集中載貨物進(jìn)行組合后工況進(jìn)行校核，并對關(guān)鍵節(jié)點結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化強(qiáng)框的形式及骨材的連接節(jié)點和形式，防止可能的應(yīng)力集中和由此引起的疲勞。由于半潛船船寬較寬（60～70 m），單艙長度較小（25～30 m），進(jìn)行艙段有限元計算時應(yīng)至少采用3 艙段有限元模型，而不是規(guī)范規(guī)定的1/2+1+1/2 艙段模型計算。

對于大型半潛船，艙段有限元不應(yīng)僅局限于中部三艙。由于構(gòu)件在艏艉會適當(dāng)減小，雖然彎矩剪力包絡(luò)線減小。對于常規(guī)3 島式半潛船一般僅需校核艏部、舯部和艉部即可。

圖11 中段艙段有限元計算

表2 艙段有限元計算結(jié)果MPa

對于大型4 島式半潛船，需增加機(jī)艙段強(qiáng)度的校核。由于機(jī)艙段位于0.25L位置處，且縱壁開孔較多，計算時需特別注意艙壁剪切能力的校核。

對于邊島結(jié)構(gòu)，需在艙段有限元中加入邊島模型，以評估總縱彎曲對于邊島的強(qiáng)度影響（如圖12 所示）。由圖13 應(yīng)力云圖可知，總縱彎曲對于邊島根部影響較大，超出一層平臺后影響較小。

圖12 包含邊島的機(jī)艙段艙段有限元模型

圖13 總縱彎曲對于邊島強(qiáng)度影響

3.2 精細(xì)有限元評估

通過艙段有限元可以得到半潛船的危險區(qū)域，對于危險區(qū)域需進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格校核。對于大型4 島式半潛船，需對以下關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行精細(xì)有限元評估：

（1）典型強(qiáng)框肘板根部；

（2）雙甲板間結(jié)構(gòu)開孔（此處可能承受主甲板的集中載荷的作用，設(shè)計時需特別注意）；

（3）邊島根部結(jié)構(gòu)（參見圖14 和表3）；

（4）水平桁端部肘板；

（5）主甲板開孔；

（6）下沉帶纜樁區(qū)域。

圖14 邊島根部關(guān)鍵節(jié)點強(qiáng)度和疲勞分析

表3 邊島根部強(qiáng)度計算結(jié)果MPa

3.3 全船有限元評估

4 島式半潛船存在顯著的結(jié)構(gòu)非對稱性，邊島位于舯部偏艏一舷且重達(dá)3000～4000 t，采用全船有限元可有效評估非對稱性引起的扭轉(zhuǎn)影響且方便進(jìn)一步評估邊島與主船體連接區(qū)域的空間應(yīng)力分布，彌補(bǔ)艙段計算的不足，參見圖15 -圖17。

圖15 全船有限元外板應(yīng)力云圖

圖16 全船有限元全船應(yīng)力云圖

圖17 滿載工況全船變形

3.4 其他評估

隨著船舶的大型化，在小型船舶上的設(shè)計可能帶來難以預(yù)料的后果，大型半潛船設(shè)計時需額外考慮以下問題并評估：

（1）建造時可采用較多塢墩，若后續(xù)進(jìn)塢，通常僅在強(qiáng)框位置坐墩，坐墩強(qiáng)度需在設(shè)計時進(jìn)行考慮；

（2）半潛船較寬扁，整體剛度較弱，若推進(jìn)方式采用長軸系設(shè)計的半潛船需特別注意考慮船體變形對于軸系校中的影響。

4 大型4 島式半潛船振動評估

4.1 船體總振動評估

3 島式半潛船初步設(shè)計時，往往可通過母型船變換的方式得到初步的振型和頻率。對于4 島式半潛船，則無成熟的經(jīng)驗公式或母型船變換得到相關(guān)頻率和振型。4 島式半潛船與3 島式半潛船結(jié)構(gòu)形式不同，總振動固有頻率存在略微差異，參見圖18 和圖19。表4［1］列出采用某10 萬噸3島式半潛船母型變換出8 萬噸4 島式半潛船固有頻率與有限元計算結(jié)果對比。

圖18 船體梁總振動有限元模型

由表4 可知，4 島式半潛船與3 島式半潛船振型大致一致，但采用3 島式半潛船作為母型變換得到的1 階垂向和1 階扭轉(zhuǎn)固有頻率相差較大。實際上，目前半潛船考慮實際的運(yùn)營工況復(fù)雜多變，多采用電推的方式，無論是吊艙還是長軸系方式，葉頻均大于半潛船前幾階固有頻率，采用3 島式半潛船作為母型船估算4 島式半潛船的精度是可以接受的。

4.2 邊島振動評估

4 島式半潛船與常規(guī)3 島式半潛船艏樓形式存在顯著不同，需特別關(guān)注邊島區(qū)域振動特性，并使其固有頻率避開船舶主要激振源。圖20 列出4 島式半潛船邊島振型，表5［1］給出4 島式半潛船邊島振型與3 島式半潛船艏樓振動的固有頻率對比。

表5 4島式半潛船和3島式艏樓固有頻率對比

由表5 可知，4 島式半潛船與常規(guī)3 島式半潛船邊島振動特性相差增大，設(shè)計時不能參考3 島式半潛船固有頻率估算固有頻率。

由于4 島式半潛船邊島瘦高同時長度較長懸伸出主船體的設(shè)計特點，設(shè)計初始階段應(yīng)使其固有頻率避開船舶主要激勵頻率，邊島尺寸位置確定后，如何通過調(diào)整結(jié)構(gòu)調(diào)整其固有頻率是值得探討的問題。為避免邊島的有害振動問題，增大上層建筑的抗剪剛度及確保上層建筑的支撐剛度，邊島的圍壁可能設(shè)于足夠剛性的艙壁上，各層側(cè)圍壁設(shè)在同一垂直面內(nèi)，各上層建筑的內(nèi)圍壁、扶強(qiáng)材和支柱盡可能設(shè)在同一垂直面內(nèi)。邊島內(nèi)的各層甲板的局部縱橫鋼質(zhì)圍壁應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的強(qiáng)構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)。為進(jìn)一步探討不同結(jié)構(gòu)設(shè)計對振動特性影響，計算不同板厚配置和不同支撐條件下固有頻率變化，各加強(qiáng)方案如圖21 所示，對應(yīng)各加強(qiáng)方案固有頻率如表6 所示。

圖21 邊島加強(qiáng)方案

表6 不同板厚配置邊島固有頻率

對比4 個方案可知，調(diào)整邊島根部結(jié)構(gòu)剛度可有效調(diào)整邊島固有頻率，調(diào)整邊島上部板厚及內(nèi)部艙室布局對結(jié)構(gòu)振動影響不大。對于4 島式半潛船的邊島結(jié)構(gòu)，需核算其固有頻率以保證足夠頻率儲備。若實在無法避免，則需相關(guān)專業(yè)更改設(shè)備選型或增加隔振措施，減小激勵源等。

5 結(jié) 語

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計在半潛船設(shè)計中最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵。雖然結(jié)構(gòu)設(shè)計因人而異、因船而異，但任何一艘船的設(shè)計均要滿足船級社的規(guī)范要求，即滿足可能裝載工況下的總強(qiáng)度、局部強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，同時還要滿足商船振動衡準(zhǔn)要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)，是要在滿足強(qiáng)度要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)型式簡單、易于建造，且要節(jié)省鋼料、提高裝載能力，進(jìn)而提高半潛船的性能。

本文著重介紹大型4 島式半潛船結(jié)構(gòu)設(shè)計流程和結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該注意的問題，通過與傳統(tǒng)3 島式半潛船對比分析，給出4 島式半潛船設(shè)計的結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)和強(qiáng)度校核需特別注意的特有問題和解決方案。

（1）大型半潛船設(shè)計初期，應(yīng)結(jié)合船東給定的目標(biāo)貨確定合理的甲板載荷（面載荷、線載荷和點載荷）。

（2）設(shè)計初期需根據(jù)總體配載確定合理的許用靜水彎矩剪力，許用靜水彎矩剪力需根據(jù)船東未來裝貨需求保留適當(dāng)?shù)挠嗔俊?/p>

（3）大型半潛船需根據(jù)甲板載荷和許用靜水彎矩剪力確定合理的中剖面，不同中剖面形式各有優(yōu)勢，對應(yīng)不同的設(shè)計要求，經(jīng)濟(jì)性也不同。

（4）相較于傳統(tǒng)3 島式半潛船，大型4 島式半潛船存在更多的設(shè)計瓶頸和關(guān)鍵區(qū)域，設(shè)計者在對相關(guān)區(qū)域進(jìn)行設(shè)計時需仔細(xì)核算驗證方案的可行性，保證結(jié)構(gòu)具有良好的強(qiáng)度和振動特性。

（5）大型半潛船的強(qiáng)度校核需關(guān)注不同的方面，既要關(guān)注整體強(qiáng)度，又要關(guān)注關(guān)鍵局部的強(qiáng)度；既要關(guān)心屈服和屈曲強(qiáng)度，也要關(guān)心疲勞強(qiáng)度。對于大型4 島式半潛船，需特別關(guān)注船體和艏樓的振動特性，設(shè)計初始階段盡量保證合理的頻率儲備。

希望本文對大型4 島式半潛船的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核起到指導(dǎo)作用，為后續(xù)半潛船的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核提供參考。