一種計算FPSO塢墩支反力的新方法

阮磊 陳斌華

摘要：本文提供一種使用GHS軟件求解FPSO塢墩支反力的新計算方法。經(jīng)過迭代計算多種吃水狀態(tài)下的塢墩支反力情況，繪制出支反力曲線圖，直觀的反映出整體塢墩和關(guān)鍵區(qū)域塢墩受力情況，計算結(jié)果更加趨近真實。為大型海工項目精準布置塢墩、提前排查隱患提供科學(xué)依據(jù)，為進出塢配載提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：塢墩;支反力計算;呆木結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U671.5? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： This paper provides a more scientific calculation method to solve the dock block reaction force of FPSO by using GHS software. The reaction force under various draft conditions is calculated iteratively， thus the reaction force curve is plotted， intuitively reflects the force situation of the dock block as a whole and the key area of the dock block， and the calculation results are more realistic. It provides scientific basis for the accurate dock block layout， the investigation of hidden risks in advance for large offshore projects， and provides technical support for loading in and out of dock.

Key words： Dock block; Reaction force calculation; Deadwood

1 前言

浮式生產(chǎn)儲油船，又稱為浮式生產(chǎn)儲存卸貨裝置，簡稱FPSO。通常與海上采油平臺配合使用，可以在海上對開采的原油進行初步粗加工處理，儲存粗加工后的油品，并輸送給前來駁運的穿梭油輪，是一種高附加值的海洋工程產(chǎn)品，造價較高，服務(wù)年限一般在25～35年，服務(wù)期間不進行重大修理。此類型海工船通常是無動力，整體型線較為飽滿，船體尾部外板線型采用折線型設(shè)計，船體尾部居中位置設(shè)計大型呆木結(jié)構(gòu)（也稱為艉鰭），主要起到導(dǎo)流作用。

我司為希臘船東ENERGEAN建造的某FPSO項目，總長227.0m、型寬50.0m、型深27.0m、設(shè)計吃水19.5m、方形系數(shù)為0.94，服務(wù)于以色列近海油田，水深約為1700米。該船尾部外板居中位置具有大型呆木結(jié)構(gòu)，呈斜三角體形狀（見圖1），呆木長25m、寬4m、高13.5m，作為獨立空艙與船體尾部外板以角焊縫形式連接。

建造開始應(yīng)策劃整體塢墩布置，重點考慮呆木結(jié)構(gòu)下方塢墩布置。在船體尾部結(jié)構(gòu)模塊組裝合攏階段，呆木結(jié)構(gòu)發(fā)揮著支撐上部船體結(jié)構(gòu)的重要作用;在船體起浮階段，船體呈首傾狀態(tài)，呆木結(jié)構(gòu)作為支撐點會受到船體整體浮力和重力的雙重作用，受力最大，因此呆木結(jié)構(gòu)的受力情況需重點關(guān)注。我們通過分析起浮過程中整體塢墩受力情況，尋求更貼合實際情況的計算方法。

船體塢內(nèi)起浮時塢墩支反力計算，目的是預(yù)先判斷船舶在塢內(nèi)注水起浮或放水落墩時船體和塢墩接觸處的應(yīng)力是否在安全范圍內(nèi)，采取措施避免過大的應(yīng)力傳導(dǎo)到鄰近船體結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)損壞。

通常情況下，塢墩支反力的傳統(tǒng)計算方法是根據(jù)船舶在恒定吃水狀態(tài)下的靜水力數(shù)據(jù)來進行，且塢墩支反力集中到最后一排塢墩上。本船空船起浮后的艏艉吃水為TF=2.634m、TA=4.072，縱傾值Trim為1.438m，故按照船舶設(shè)計手冊計算公式，塢墩支反力為：

查船體平浮吃水T=2.634時的靜水力數(shù)據(jù)：縱傾力矩 MTC=1353.900 t.m/cm、漂心LCF=119.053m。按照塢墩布置圖，F(xiàn)R0到最尾部第一排塢墩的距離為xR=4.8m，故塢墩支反力為：

以最尾部第一排塢墩為支點進行計算：

（A）浮力對最尾部第一排塢墩的力矩為：

Mom_B=2928160.216 t.m

（B）重力對最尾部第一排塢墩的力矩為：

Mom_G=3499112.024 t.m

因浮力力矩Mom_B < 重力力矩Mom_G，故此時船舶不會產(chǎn)生艏浮。

經(jīng)過多次迭代計算，船舶吃水為3.150時，浮力對最尾部第一排塢墩的力矩為：Mom_B= 3508625.573 t.m，船舶開始艏浮，此時的塢墩支反力為：

經(jīng)過對比，塢墩支反力較上面的計算結(jié)果值有所提高。

上述計算方法的弊端，主要有以下三點：

（1）整個支反力集中在最尾部第一排塢墩上，計算結(jié)果明顯說明塢墩是難以承受的（每個塢墩安全荷載為200t，最尾部塢墩數(shù)量為2個）;

（2）起浮點即艏部開始浮起的瞬間，吃水不是船體全浮時的艏吃水;

（3）起浮過程中的塢墩支反力變化情況不明朗。

該方法是在船體梁為理想剛性前提下，根據(jù)力矩平衡來進行塢墩受力分析，存在求解過程太粗放、不直觀的問題。下面，本文提供一種新的方法來求解塢墩支反力。

2 計算模型

船廠可以利用船舶的擱淺情景功能來求解船舶塢內(nèi)起浮或落墩時的塢墩支反力，如NAPA軟件的ER模塊、GHS軟件的SALVAE模塊。本文采用GHS軟件的GROUND命令來求解每排塢墩的支反力，將船體剛性梁的柔性增加到GHS 軟件的GROUND命令，從而使通過上述命令計算的塢墩支反力更加合理。

以艉鰭區(qū)即呆木結(jié)構(gòu)下方區(qū)域塢墩布置為例（見圖2）平面圖如，塢墩計算模型構(gòu)造圖，圖3所示：

船體艉鰭區(qū)、中部區(qū)、艏部區(qū)塢墩支反力計算模型橫剖面圖，見圖4：

3 計算結(jié)果與分析

按照船體重量分布曲線圖，采用命令weight依次為各擱墩點賦予重量值，也可用Excel表格一次性導(dǎo)入賦予重量值;然后按照塢墩布置圖受軟件允許設(shè)置的擱墩坐點數(shù)量的限制以及程序運行的快慢性，可以選擇平板龍骨處的塢墩來設(shè)置擱墩情況。

按照本船的塢墩布置特點，把塢墩分為三個區(qū)：

艉鰭區(qū)為Block_skeg 1 ～ Block_skeg 11;

中部區(qū)為Block_body 12 ～ Block_body 76;

艏部區(qū)為Block_fore 77 ～ Block_fore 92。共計92個特征擱墩點，如圖5所示。每個特征擱墩點表示橫向一排塢墩，具體的擱墩點三維坐標值參考表1中的縱向LCR /橫向TCR/垂向VCR數(shù)值。

（1）通過計算不同吃水狀態(tài)下的支反力變化情況，繪制總的支反力和特定塢墩處的支反力變化曲線，找出船舶在塢內(nèi)起浮或落墩時支反力變化特點。

（A）通過計算，得到船舶吃水為0時即排水量為0時各塢墩支反力情況共計92個特征擱墩點承載32132.29t 的支撐力，其中最尾部第一排的塢墩承載389.41t的支撐力，其在塢墩承載能力范圍內(nèi);

（B）通過計算，得到船艏起浮時平均吃水為3.148m 各塢墩支反力情況，艉鰭區(qū)共計19個特征擱墩點承載1696.67t的支撐力，其中最尾部第一排塢墩承載235.31t的支撐力，也在塢墩的承載能力范圍內(nèi);

（C）通過迭代求解，得到在船艏起浮過程中尾部單排塢墩的受力最大情況。船舶在尾吃水為3.456m 時，最尾部第一排塢墩承載323.04t 的支撐力，亦在塢墩的承載能力范圍內(nèi)。此狀態(tài)較船艏起浮開始時的最尾部第一排塢墩承載235.31t 的支撐力要大88t。

（D）進一步分析船舶起浮過程中總的塢墩支反力情況。塢墩總支反力變化的擬合曲線，如圖6所示：

（E）船舶起浮過程中最尾部第一排塢墩（即艉鰭區(qū) Block_skeg 1）受力的情況，支反力變化擬合曲線，如圖7所示：

圖7中：第一個點為船舶在平均吃水為3.148m 時（船艏起浮開始），最尾部單排塢墩的支反力為235.31t;第二個點為船舶在尾吃水為3.456m 時（船舶艏浮過程中），最尾部單排塢墩的支反力為323.04t。根據(jù)這兩個標注點可以看出，艏浮過程中最尾部單排塢墩的承載力比艏浮開始時的支撐力要大88t，這個結(jié)果是傳統(tǒng)塢墩支反力的計算中沒有出現(xiàn)的一個特點。

傳統(tǒng)塢墩支反力的計算都是在把船體看成理想剛性梁的前提下完成的，這是為了簡化支反力計算和受計算方法的限制下的解決方法，但實際上船體的剛性梁是具有一定的柔性，一般情況下的柔性度可以達到1/800，這樣在船舶起浮的瞬間就不只是僅有一個點接觸塢墩而是多點接觸，從而可以把最尾部的塢墩受力減少下來。

在布墩圖中，需要滿足船舶在塢內(nèi)的整個過程中最尾部單個塢墩的支反力均需要小于每個塢墩允許使用的最大支反力，此時就不會出現(xiàn)安全事故，因此船舶在塢內(nèi)起浮全過程中所有塢墩的總支反力變化情況的擬合曲線，以及最尾部單排塢墩的支反力變化情況，對船廠有實際的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

（1）本方法根據(jù)船體剛性梁的柔性特征，計算出船舶在不同吃水情況下對應(yīng)的所有塢墩總支反力及最尾部塢墩的支反力，并繪制出船舶在塢內(nèi)起浮全過程中所有塢墩的總支反力變化情況的擬合曲線，以及最尾部單排塢墩的支反力變化情況，因此能方便船廠真實了解塢墩的受力情況，并根據(jù)迭代計算的方法對塢墩布置不合理的情況進行調(diào)整，從而能有效避免船舶在進出塢過程中易出現(xiàn)的塢墩受力過大而危害船舶的安全事故，對船廠布墩具有實際的指導(dǎo)意義。并且由于該方法中考慮了實際船體的柔性，從而使通過該方法計算的支反力，比傳統(tǒng)方法中直接利用理想剛性梁計算出的支反力更加接近實際狀況，結(jié)果更加真實;

（2）船廠的塢墩一般采用砼木組合塢墩/鋼木組合塢墩，屬于剛性塢墩，本方法適用于計算這類塢墩的布置受力分析;

（3）結(jié)合不同吃水狀態(tài)下的重量分布曲線、剪力彎矩曲線、撓度曲線等有助于綜合分析船舶起浮過程中塢墩的受力變化情況;

（4）本方法可以快速直觀地分析船舶起浮過程中沿船長方向各區(qū)域塢墩受力情況，為船舶建造或修理布墩提供合理的布局，為船舶安全進出塢提供有力的技術(shù)支持。

參考文獻

[1] 中國船舶工業(yè)集團公司. 船舶設(shè)計實用手冊 （第3版）-總體分冊[M]，北京：國防工業(yè)出版社，2013.8.