深海采礦船船體結(jié)構(gòu)三維直接設(shè)計分析

陶尼斯,張勇,郭興乾,楊亞男,李成君

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

深海采礦船是一種典型的高難度、高技術(shù)、高附加值船舶。全球首艘深海采礦船是由新加坡Sea Tech公司設(shè)計、福建省船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司下屬的福建馬尾船廠建造，完成交付后由加拿大鸚鵡螺礦業(yè)公司租用并部署到其在巴布亞新幾內(nèi)亞專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的工程中。目前，國外發(fā)達(dá)國家已基本具備了深海采礦的技術(shù)能力，而我國在采礦船方面的研究工作起步較晚，尚未完全掌握深海采礦的核心技術(shù)，針對船型方面的研究更是處于空白[1]。本文以深海采礦船船型開發(fā)課題為背景,主要從中剖面設(shè)計、艙段有限元分析，關(guān)鍵設(shè)備加強(qiáng)強(qiáng)度分析三方面對深海采礦船結(jié)構(gòu)設(shè)計流程進(jìn)行闡述，通過解決項目中遇到的問題，為深海采礦船結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)儲備。

目標(biāo)采礦船機(jī)艙、艏推進(jìn)器艙、艏側(cè)推艙、生活樓及直升機(jī)平臺布置在艏部區(qū)域；主甲板中、艉部為采礦作業(yè)區(qū)域：重型吊機(jī)、外輸設(shè)備、塔架、A字架、礦漿處理模塊等重型機(jī)械設(shè)備及作業(yè)模塊布置于該區(qū)域；貨艙布置在船體舯部區(qū)域；目標(biāo)采礦船舯部設(shè)有10 m×10 m從主甲板到船底垂向貫穿式月池結(jié)構(gòu)，總體布置示意見圖1。

圖1 目標(biāo)采礦船總體布置示意

1 舯剖面設(shè)計

采礦船結(jié)構(gòu)設(shè)計難點在于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計載荷遠(yuǎn)超過常規(guī)船舶。甲板除了承受大面積面載荷外，還要承受重型機(jī)械設(shè)備的功能性載荷及大范圍分布的隨機(jī)性載荷，使得船體結(jié)構(gòu)設(shè)計問題十分嚴(yán)峻。

舯剖面設(shè)計是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理設(shè)定舯剖面結(jié)構(gòu)對于提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和船體性能來說至關(guān)重要。構(gòu)件的布置既要滿足承受和傳遞載荷的要求，又要考慮結(jié)構(gòu)形式簡單實用，工藝性好，以最小結(jié)構(gòu)重量滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需要。目標(biāo)采礦船舯剖面的結(jié)構(gòu)材料分布范圍：主甲板：甲板板、縱骨及主要構(gòu)件均采用H36的高強(qiáng)度鋼；外板：舷頂列板和船底板及其范圍內(nèi)的縱骨采用H36的高強(qiáng)度鋼；舷側(cè)外板和骨材采用普通鋼；縱壁：除縱壁上列板和最下列板及其范圍內(nèi)的縱骨采用H36的高強(qiáng)度鋼外，其余均采用普通鋼；雙層底：內(nèi)底板及縱骨采用H36的高強(qiáng)度鋼；中間甲板：甲板板及縱骨均采用普通鋼；舯剖面模數(shù)與慣性矩設(shè)計結(jié)果見表1。

表1 舯剖面模數(shù)與慣性矩設(shè)計結(jié)果

同時，本船采用三維直接設(shè)計技術(shù)進(jìn)行了舯剖面特性的復(fù)核，針對采礦船特殊布置，應(yīng)對船舯0.4L區(qū)域內(nèi)所包含的貨艙及月池艙兩種典型艙段結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，分別建立以貨艙和月池艙為目標(biāo)艙的兩個三艙段模型[2]。

1)No.1貨艙+No.2貨艙+月池，No.2貨艙為目標(biāo)艙。

2)No.2貨艙+月池+No.3貨艙，月池為目標(biāo)艙。

采用三艙段模型計算可最大程度減小邊界條件對中間目標(biāo)艙的影響，貨艙區(qū)典型剖面示意圖見圖2，月池區(qū)典型剖面示意圖見圖3，主甲板下艙室布置示意圖見圖4。

圖2 貨艙區(qū)典型剖面示意

圖3 月池區(qū)典型剖面示意

圖4 主甲板下艙室布置示意

鑒于采礦船在航行狀態(tài)下裝載和受力與礦砂船相似，采用CCS為礦砂船直接計算而設(shè)計的HCSR-TOOLS軟件建模：以縱骨間距為單元間距；外板、甲板板、縱壁板、強(qiáng)框架及甲板主要構(gòu)件腹板等均用板單元模擬；縱骨、扶強(qiáng)材和主要構(gòu)件面板等用梁單元模擬；上層建筑、脫水模塊、塔架、A字架等設(shè)備采用質(zhì)量點的形式施加到指定位置。

模型坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系：X方向為船長方向，船首方向為正，Y方向為船寬方向，左舷方向為正，Z方向為型深方向，由基線指向甲板。

鑒于采礦船特殊的作業(yè)職能，艙段有限元三維直接計算采用了以下假定。

1)采礦船貨艙內(nèi)設(shè)有推平裝置，礦石在艙內(nèi)堆積時非常均勻，因此，在計算貨艙貨物壓力時，不考慮礦石的休止角。

2)由于采礦船設(shè)有脫水裝置，礦石的含水率小于5%，且儲存周期小于15 d，可不考慮散貨液化效應(yīng)。

3)由于貨艙主甲板下設(shè)有推平裝置和轉(zhuǎn)運裝置，導(dǎo)致各艙實際裝載率很低，因此，在均勻滿載工況下，各艙裝載率不超過50%。

4)采礦船在作業(yè)時會有旁靠外輸系統(tǒng)支持，所采礦石均是通過母船附近的散貨船進(jìn)行轉(zhuǎn)運，因此,實際航行狀態(tài)下貨艙只能處于壓載狀態(tài)或者滿載狀態(tài)，不存在隔艙裝載工況。

采礦船計算載荷可參考礦砂船，主要包括船體梁載荷、舷外水壓力，波浪水動壓力，艙內(nèi)礦石貨物載荷和壓載水壓力等[3]。根據(jù)采礦船裝載手冊的要求，航行狀態(tài)下包含兩種工況：正常壓載工況(取正常壓載吃水)和均勻滿載工況(貨艙裝載率約50%，取滿載吃水)。

邊界條件的設(shè)定按照CCS《礦砂船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計算指南》[4]中關(guān)于貨艙區(qū)域直接強(qiáng)度分析中的非最首貨艙模型端部邊界條件的規(guī)定。模型及邊界條件見圖5、6。

圖5 貨艙段模型示意

圖6 月池艙段模型示意

屈服強(qiáng)度的校核應(yīng)按照CCS《礦砂船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計算指南》[4]相關(guān)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，對于組合載荷，屈曲利用因子應(yīng)小于1。

從上述引用的典型載荷工況計算結(jié)果可知：

1)貨艙橫向強(qiáng)框架屈服結(jié)果見圖7，相當(dāng)應(yīng)力最大值200 MPa；月池艙船底屈服結(jié)果見圖8，相當(dāng)應(yīng)力最大值276 MPa。

圖7 貨艙橫向強(qiáng)框架屈服結(jié)果

圖8 月池艙船底屈服結(jié)果

2)主甲板月池艙艙口角隅附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，相當(dāng)應(yīng)力最大值293 MPa，見圖9。

圖9 主甲板月池艙均勻滿載工況

3)雙層底在靠近橫艙壁處應(yīng)力值較高，相當(dāng)應(yīng)力最大值200 MPa，見圖10。

圖10 雙層底月池艙均勻滿載工況

4)月池區(qū)橫艙壁與縱艙壁，旁桁材相交處附近區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，相當(dāng)應(yīng)力最大值216 MPa，見圖11。

圖11 月池縱壁與橫艙壁相交處

5)月池主甲板處最大屈曲利用因子為0.828，見圖12；月池區(qū)舷頂列板和縱艙壁最大屈曲利用因子較大，分別為0.926和0.962，見圖13、圖14。

圖12 月池主甲板最大屈曲利用因子

圖13 月池縱艙壁最大屈曲利用因子

圖14 月池舷側(cè)外板最大屈曲利用因子

2 局部強(qiáng)度設(shè)計

采礦船典型區(qū)域的局部強(qiáng)度設(shè)計包含以下三部分內(nèi)容：作業(yè)區(qū)域主甲板構(gòu)件設(shè)計、作業(yè)區(qū)域月池結(jié)構(gòu)設(shè)計、作業(yè)區(qū)域塔架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1 作業(yè)區(qū)域主甲板構(gòu)件設(shè)計

采礦船作業(yè)區(qū)主甲板構(gòu)件設(shè)計的難點在于貨艙區(qū)主要構(gòu)件下方設(shè)置推平裝置占據(jù)了大量空間，為保障裝載率需對桁材腹板高度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。主要構(gòu)件設(shè)計的首要任務(wù)是選取合理的甲板設(shè)計載荷?，F(xiàn)行規(guī)范僅對工作處所，生活區(qū)及貯物區(qū)甲板設(shè)計載荷有明確規(guī)定[5-6]，作業(yè)區(qū)則很少提及。依托項目甲板上布置了采礦設(shè)備及附屬電纜、輔助集裝箱、作業(yè)模塊等，在航行工況和在位工況(采礦船航行工況以外的設(shè)計工況)船體發(fā)生橫搖和縱搖將導(dǎo)致載荷的增大，因此，甲板載荷設(shè)計應(yīng)考慮為甲板靜載荷與動載荷的組合。綜上分析，本目標(biāo)船甲板載荷設(shè)計依據(jù)主甲板實際承載重量，并考慮復(fù)雜作業(yè)環(huán)境因素所導(dǎo)致的載荷動力放大系數(shù)，同時借鑒國外相近尺度采礦船的設(shè)計經(jīng)驗最終確定甲板設(shè)計載荷為100 kPa。

采用三維直接設(shè)計技術(shù)選取主要構(gòu)件時，首先要參照與之類似的甲板結(jié)構(gòu)，并根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗對構(gòu)件規(guī)格做適當(dāng)調(diào)整作為建模的初始輸入。模型縱向范圍為貨艙段前后端壁，橫向采用全寬模型，邊界條件按簡支處理，甲板板按照面載荷100 kPa來施加。從結(jié)果來看,相當(dāng)應(yīng)力最大值為184 MPa，滿足規(guī)范強(qiáng)度要求[5]，主甲板應(yīng)力云圖見圖15。

圖15 主甲板應(yīng)力云圖

圖16 梁系計算模型及加載

在腹板板厚和面板取值相同的前提下，后者腹板高度取值僅為梁系計算的一半，可見在主要構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計方面，三維直接設(shè)計技術(shù)具有明顯優(yōu)勢；梁系直接計算雖然方法簡便，但構(gòu)件尺寸取值偏于保守，容易造成結(jié)構(gòu)重量增加且材料利用率不高。

2.2 作業(yè)區(qū)域月池附近結(jié)構(gòu)設(shè)計

作為關(guān)鍵區(qū)域的月池結(jié)構(gòu)，本文采用三維直接計算技術(shù)建立模型進(jìn)行局部強(qiáng)度分析。模型縱向范圍為前后艙壁各向外擴(kuò)展一個強(qiáng)框間距，針對個別工況下載荷可能存在左右舷不對稱情況，橫向采用全寬模型(有限元模型見圖7)，模型加載參照CCS《礦砂船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計算指南》，主要包括內(nèi)部載荷、外部載荷和船體梁載荷等。選取板單元相當(dāng)應(yīng)力UC值和主要構(gòu)件最大屈曲利用因子較大的工況分析發(fā)現(xiàn)：

1)圖9月池艙艙口角隅附近出現(xiàn)了應(yīng)力集中，UC值達(dá)到0.958，對于應(yīng)力集中區(qū)域，可考慮優(yōu)化開孔區(qū)域形式和嵌入厚板的設(shè)計方式，并提高鋼級，后續(xù)設(shè)計還應(yīng)重點校核角隅處的疲勞強(qiáng)度[7-8]。

2)圖10雙層底在靠近橫艙壁處應(yīng)力值較高，UC值達(dá)到0.909，從布置上橫艙壁前后兩側(cè)分別為隔離空艙和貨艙，從而導(dǎo)致艙壁兩邊壓差較大，該區(qū)域的局部強(qiáng)度問題比較突出。主甲板和雙層底最大應(yīng)力均出現(xiàn)在均勻滿載工況，因此，均勻滿載工況在采礦船艙段屈服強(qiáng)度校核中為主控工況。

3)圖11月池區(qū)橫艙壁與縱艙壁，旁桁材相交處截面突變導(dǎo)致應(yīng)力集中，可考慮該區(qū)域局部板提高鋼級并做加厚處理。另外貨艙縱壁和內(nèi)底板直角相交處應(yīng)力值較高，由于采礦船貨艙內(nèi)設(shè)有推平裝置，布置上無法實現(xiàn)類似礦砂船內(nèi)底板傾斜式過渡，這是兩型船在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的差異所導(dǎo)致的。此外縱艙壁與橫艙壁相交附近的屈曲問題也要重點關(guān)注，因該區(qū)域受到比較大的船體梁剪力[9]。

4)圖13、14屈曲應(yīng)力值比較高(最大屈曲利用因子比較大)的區(qū)域主要集中在月池區(qū)舷頂列板和縱艙壁板，因該區(qū)域在中垂?fàn)顟B(tài)下承受比較大的船體梁彎曲壓應(yīng)力[10]。

2.3 塔架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

作為關(guān)鍵設(shè)備的塔架，其加強(qiáng)設(shè)計不僅關(guān)系到目標(biāo)船能否實現(xiàn)采礦功能，還關(guān)系到船舶營運的安全。

塔架局部強(qiáng)度分析采用三維直接設(shè)計技術(shù)，模型縱向范圍根據(jù)基座腹板下加強(qiáng)位置向外再擴(kuò)展一個強(qiáng)框范圍，橫向范圍剛好截斷在左右舷縱艙壁處，垂向上由主甲板向下延伸一層甲板。應(yīng)力校核區(qū)域采用細(xì)網(wǎng)格，網(wǎng)格大小約為150 mm×150 mm，向外逐漸過渡到350 mm×350 mm。采用細(xì)網(wǎng)格建模的目的：①準(zhǔn)確模擬塔架基座的形狀；②計算結(jié)果能夠反映實際結(jié)構(gòu)真實的應(yīng)力分布[11]。

塔架主要功能是支撐揚礦軟管、揚礦硬管和水下中繼站等，主要受力包括設(shè)備作業(yè)產(chǎn)生的功能性載荷、固定載荷、環(huán)境載荷等；其中固定載荷包括塔架自身的重量、輔助舾裝件及電纜等附件的重量；環(huán)境載荷包含風(fēng)載荷、船體運動載荷、冰雪載荷等[12]。所受載荷通過腳點處連接基座傳遞給主船體結(jié)構(gòu)，腳點設(shè)計載荷一般由設(shè)備商提供，計算時通過模型頂端的MPC單元主節(jié)點上加載節(jié)點力和彎矩來實現(xiàn)，單元類型為RBE2。屈服強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)按照CCS《海上移動平臺入級規(guī)范》來進(jìn)行。

由于四個腳點位于主甲板月池開口角隅附近，根據(jù)艙段有限元分析結(jié)果可知：該區(qū)域為高載荷、高應(yīng)力區(qū)域，結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)重點關(guān)注屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度及應(yīng)力集中問題。鑒于塔架設(shè)計載荷在X、Y、Z3個方向上均受到較大的集中力和彎矩，因此，基座及甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)均采用H36的高強(qiáng)度鋼并作加厚處理，以確保結(jié)構(gòu)在各方向上都具有足夠的強(qiáng)度和剛度儲備。節(jié)點處理方面，基座肘板使用軟趾形式減少應(yīng)力集中程度，緩解疲勞強(qiáng)度問題。焊接強(qiáng)度方面，基座腹板與面板，基座腹板與甲板板為高應(yīng)力區(qū)域，焊接形式采用全焊透。布置方面，塔架四個腳點均落在縱橫艙壁交叉處，目的是讓所受載荷能比較有效進(jìn)行傳遞，使受力區(qū)域整體強(qiáng)度和剛度情況較為理想。典型工況相當(dāng)應(yīng)力分布見圖17，從分析結(jié)果來看，各工況相當(dāng)應(yīng)力最大值為154 MPa，強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，基座結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻。由此可見，基于艙段有限元分析，對塔架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計采取有針對性措施有效解決了屈服和應(yīng)力集中問題，也盡可能避免了后期關(guān)鍵節(jié)點產(chǎn)生疲勞強(qiáng)度問題。

圖17 典型工況相當(dāng)應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)論

1)采礦船在位工況具體分為布放工況、作業(yè)工況、轉(zhuǎn)運工況及生存工況。這些都是典型的海工裝置所具有的結(jié)構(gòu)設(shè)計特征，采用三維直接計算設(shè)計技術(shù)確定主要構(gòu)件規(guī)格是作為特殊船型開發(fā)的有效保障。

2)采礦船由于設(shè)有月池艙，導(dǎo)致艙段有限元模型有其自身的特點；艙段有限元模型分析技術(shù)雖然已經(jīng)非常成熟，但就本目標(biāo)船而言，重點在于依據(jù)艙段有限元分析結(jié)果，依次對特殊結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行個性化定制設(shè)計。

3)三維直接設(shè)計分析技術(shù)不僅可以復(fù)核和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，更重要的是針對深海采礦船，初始階段就能通過分析結(jié)果對局部設(shè)計存在的問題進(jìn)行預(yù)判，并采取針對性措施獲得較為安全的設(shè)計方案，從而降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)險。