某1 000t打撈起重船坐底強(qiáng)度有限元分析

閆方超，郭 婷

（上海佳豪船海工程研究設(shè)計(jì)有限公司，上海 201600）

1 前言

風(fēng)能作為一種新型的綠色能源，在全球能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。我國(guó)有許多沿海潮間帶灘涂區(qū)域,漲潮時(shí)被海水淹沒,落潮后露灘,主要用于海水養(yǎng)殖和通航，其利用價(jià)值較低;但潮間帶區(qū)域風(fēng)能資源豐富，并且地勢(shì)平坦,具備開發(fā)沿海風(fēng)能的條件?；诔遍g帶灘涂區(qū)域水深較淺、淤泥質(zhì)地基承載力弱,常規(guī)自升式風(fēng)電安裝船/平臺(tái)無(wú)法進(jìn)入該區(qū)域作業(yè),其地形條件及水文特點(diǎn)給工程帶來(lái)了很大的難度。在潮間帶灘涂地區(qū)實(shí)施風(fēng)電開發(fā),需要研制專用的風(fēng)電場(chǎng)工程船/平臺(tái)。具有坐底能力的起重船由于其更廣闊的安裝作業(yè)范圍和多用途功能，在市場(chǎng)需求上更為強(qiáng)勁。

近年來(lái)，隨著世界各國(guó)將綠色能源轉(zhuǎn)型定為未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)，導(dǎo)致在建以及待建的海上風(fēng)電項(xiàng)目數(shù)量驟然增加，受其影響，具有風(fēng)電安裝能力的工程船需求大增，具有廣闊的發(fā)展空間，而具有坐底能力的起重船由于其更加廣闊的安裝作業(yè)范圍和功能，市場(chǎng)需求廣闊的更加強(qiáng)勁。

風(fēng)電安裝船作為一種新型的海上工作船,有效的緩解了海上風(fēng)機(jī)運(yùn)輸和安裝困難的問題。為了滿足風(fēng)電市場(chǎng)需求，包括風(fēng)電安裝、運(yùn)維等，可以通過(guò)改造半潛駁的方式建造風(fēng)電安裝工程船，不僅可以使船舶增加新的功能，提高船舶綜合利用率，同時(shí)可大大減少建造周期和成本，使經(jīng)濟(jì)效益最大化。

目前國(guó)內(nèi)船級(jí)社對(duì)于船舶坐底計(jì)算還沒有完整的相關(guān)規(guī)范衡準(zhǔn)。為了滿足當(dāng)前的規(guī)范要求，使該型船舶具有坐底作業(yè)功能，得到“★CSA Submersible Offshore wind Turbine”的船級(jí)符號(hào)，需要參照《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》對(duì)本船結(jié)構(gòu)坐底強(qiáng)度作直接計(jì)算及評(píng)估。

作為我國(guó)首艘淺水坐底打撈工程船的“德浮1200”，可在約2.9 m以上潮高時(shí)進(jìn)入施工區(qū)域，可在惡劣海況下進(jìn)行搶險(xiǎn)打撈作業(yè)，填補(bǔ)了我國(guó)淺水打撈工程船的空白，顯著提升特定環(huán)境下的搶險(xiǎn)打撈能力。

本文基于“德浮1200”項(xiàng)目，對(duì)該船舶進(jìn)行坐底強(qiáng)度計(jì)算，為該類型船舶的坐底強(qiáng)度計(jì)算提供參考。

2 坐底作業(yè)及假設(shè)條件

所謂坐底作業(yè)，系指該船到達(dá)預(yù)定作業(yè)海域后，主動(dòng)下潛或者隨退潮水深的降低而令船舶底部自然接觸海底，在接觸區(qū)達(dá)到船舶無(wú)異常移動(dòng)而坐穩(wěn)后，啟動(dòng)起重機(jī)進(jìn)入吊裝工作狀態(tài)。

船舶坐底作業(yè)主要有兩種工況：一是作業(yè)區(qū)域若有顯著的漲退潮現(xiàn)象，在退潮期間自然水深可下降至0，船舶處于無(wú)水坐灘狀態(tài)，稱為干坐底工況；二是由于海區(qū)的海底地質(zhì)條件為泥面淺層粉砂成分，在水流作用下極易產(chǎn)生物理遷移，導(dǎo)致海底與船底的接觸條件發(fā)生改變。具體而言，當(dāng)水流因船舶的存在產(chǎn)生繞射時(shí)，將帶起海底泥沙的流動(dòng)，產(chǎn)生船舶周界的掏空現(xiàn)象，減小了海底對(duì)船舶的支撐面積，導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力狀態(tài)變化，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致船舶構(gòu)件破壞甚至船體梁斷裂，稱為吃水坐底工況。

鑒于以上分析，本文對(duì)本船坐底作業(yè)強(qiáng)度計(jì)算作如下假設(shè)：

（1）作業(yè)區(qū)域海底平整，無(wú)堅(jiān)硬的突出物（如巖石等）；

（2）坐底時(shí)船體不會(huì)陷入海底土層；

（3）坐底時(shí)海水沖刷海床接觸面靠近船舷位置有掏空現(xiàn)象，導(dǎo)致船底附近泥沙掏空，掏空區(qū)域的面積不超過(guò)20%；

（4）海底掏空區(qū)域與非掏空區(qū)域的交界線為直線；

（5）坐底作業(yè)時(shí)船舶不發(fā)生滑移及海床不下沉，船體無(wú)原始縱、橫傾，平坐在海底。

3 計(jì)算分析

3.1 船舶概況

本文計(jì)算對(duì)象為我司為煙臺(tái)打撈局自行研發(fā)設(shè)計(jì)的1 000 t全回轉(zhuǎn)淺水坐底打撈工程船。該船采用全焊接鋼質(zhì)船體，箱形駁船船型，具有一層連續(xù)舉升甲板，并在四角設(shè)置塔樓；尾部左側(cè)塔樓上，設(shè)置全回轉(zhuǎn)起重機(jī)一臺(tái)；本船可用于沿海及近海淺水水域作業(yè)，無(wú)限航區(qū)。

本船可在約2.9 m以上潮高時(shí)進(jìn)入進(jìn)入施工區(qū)域?qū)崿F(xiàn)坐灘作業(yè)，包括：海上救助打撈作業(yè)；海上風(fēng)機(jī)基座、塔筒、機(jī)艙以及葉片的吊裝作業(yè)；打樁作業(yè)和樁基建設(shè)；海洋石油及水工工程作業(yè)?？稍诮：絽^(qū)進(jìn)行下潛/起浮作業(yè)的非自航工程船（見圖1），其主尺度如下：

圖1 打撈工程船

船長(zhǎng) L 106.0 m

型寬 B 42.0 m

型深 D 7.2 m

設(shè)計(jì)吃水 d 4.0 m

最大沉深 h 10.0 m

肋距 S 2.0 / 3.0 m

3.2 有限元模型

本文采用MSC-Patran/Nastran有限元軟件進(jìn)行建模分析：計(jì)算模型的甲板板、艙壁板、桁材腹板等，模擬為4節(jié)點(diǎn)或3節(jié)點(diǎn)板單元；普通橫梁、縱骨、桁材面板以及撐桿等，模擬為2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧?；單元尺度以肋距?00 mm）及縱骨間距（725 mm）為基本邊長(zhǎng)。有限元模型，如圖2～4所示。

圖2 整船有限元模型

圖3 有限元模型板厚分布圖（整船）

圖4 有限元模型板厚分布圖（主船體外殼板）

4 環(huán)境載荷

本船坐底工況主要分為：坐底起重工況（主起重機(jī)工作）；坐底非起重工況（主起重機(jī)不工作）；坐底自存工況。其中，坐底起重工況又分為：干坐底工況和10 m吃水坐底工況。

本文僅針對(duì)干坐底起重工況、10 m吃水坐底起重工況和坐底自存工況，進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算。其中：干坐底起重工況為完全退潮后，吃水0 m；10 m吃水坐底起重工況為吃水10 m，超壓水8 000 t；坐底自存工況為吃水10 m，超壓水8 000 t。 根據(jù)本船作業(yè)手冊(cè)，坐底作業(yè)時(shí)的環(huán)境條件如表1所列。

表1 典型作業(yè)工況環(huán)境條件

在船舶坐底強(qiáng)度計(jì)算中，充分考慮船舶自身及環(huán)境載荷對(duì)船體坐底作業(yè)帶來(lái)的可能影響，包括船舶作業(yè)裝載、風(fēng)載荷、波浪載荷、流載荷、起重機(jī)作業(yè)載荷等。

4.1 裝載工況載荷

不同的裝載工況決定了不同的壓載水布置，從而影響對(duì)應(yīng)作業(yè)工況下的全船質(zhì)量分布。圖5為10 m吃水坐底起重工況的船舶裝載示意圖。坐底時(shí)為了滿足抗滑移以及坐底穩(wěn)性等原因，除去8 000 t超壓壓載水外，油水的重量達(dá)到24 000 t；其他工況不再贅述。

圖5 10 m吃水坐底起重工況裝載示意圖

4.2 風(fēng)載荷

干坐底起吊作業(yè)時(shí)，風(fēng)力不大于17.1 m/s；10 m吃水坐底起重作業(yè)時(shí)，風(fēng)力不大于17.1 m/s；坐底自存工況時(shí)，風(fēng)力不大于51.5 m/s。

表2為各種計(jì)算角度下風(fēng)載荷的數(shù)值。另外，在計(jì)算風(fēng)載荷時(shí)，還需要考慮高度系數(shù)的影響，高度系數(shù)可參考相關(guān)規(guī)范。

表2 風(fēng)載荷

4.3 海流載荷

根據(jù)船舶操作手冊(cè)：10 m坐底起重作業(yè)時(shí)，最大波高不大于2.0 m；坐底自存工況時(shí)，最大波高不大于5.0 m。

根據(jù)CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》，海流載荷按下式計(jì)算：

式中：C—曳力系數(shù)；ρw——海水密度，t/m；V—設(shè)計(jì)海流流速，m/s；A—構(gòu)件在與流速垂直平面上的投影面積，m。

表3 為海流載荷的計(jì)算結(jié)果。

表3 海流載荷

4.4 波浪載荷

船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和波浪載荷響應(yīng)計(jì)算，采用三維勢(shì)流撓射/輻射軟件HYDROSTAR ；坐底工況中的波浪載荷，選取斯托克斯5階波浪理論，波浪載荷由HYDROSTAR軟件計(jì)算并傳導(dǎo)至有限元模型濕表面，以面載荷形式施加。

圖8 為波浪載荷計(jì)算模型。

圖6 波浪計(jì)算用的典型網(wǎng)格圖

4.5 起重機(jī)載荷

本船在尾部左舷平臺(tái)甲板布置一臺(tái)固定全回轉(zhuǎn)1000 t重型起重機(jī)。表4為加載的起重機(jī)載荷值，圖7為起重機(jī)計(jì)算校核角度。

表4 起重機(jī)作業(yè)接口最大載荷

圖7 起重機(jī)載荷計(jì)算角度

4.6 靜水載荷及自重載荷

自重載荷包括本船自重（見表5）、對(duì)應(yīng)不同計(jì)算工況的油水等裝載重量，以及相關(guān)設(shè)備重量。

表5 本船空船重量信息

平臺(tái)甲板堆貨僅在坐底起重工況中放置于平臺(tái)甲板上，平臺(tái)甲板堆放的設(shè)備有塔筒、風(fēng)機(jī)機(jī)艙、輪轂與葉片以及定位錨。其中，塔筒、風(fēng)機(jī)機(jī)艙、輪轂與葉片通過(guò)質(zhì)量點(diǎn)模擬施加，定位錨以甲板載荷施加，如圖8所示。

圖8 坐底作業(yè)時(shí)船舶主要設(shè)備的質(zhì)量分布示意圖

5 約束條件

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》，受到水流沖刷的影響，坐底面積按最不利的情況損失率為20%計(jì)算。本船坐底強(qiáng)度分析中，船底掏空情況分為16種，如圖9所示。

圖9 船首部/尾部區(qū)域掏空計(jì)算工況示意圖

根據(jù)船底掏空方式，有限元各計(jì)算工況邊界條件設(shè)置在船底非掏空的坐底區(qū)域。為更加真實(shí)模擬海底接觸情況，在坐底接觸面的海床邊界采用垂向線彈簧進(jìn)行模擬，彈簧剛度k值按照以下方法計(jì)算：

式中：K—地基基床系數(shù)，kN/m；

A—線彈簧模型單位承載面積，m；

β—安全系數(shù)，取β=1.1～1.2，.

本船A=0.36 m，β=1.2，K=3.0×10kN/m，得出彈簧剛度k=12 960 N/mm。

在約束區(qū)域彈簧上端，采用約束節(jié)點(diǎn)x、y方向線位移（即 <0, 0, >，<-, -, ->）；對(duì)于彈簧下端，采用約束節(jié)點(diǎn)z方向線位移（即 <, , 0>，<-, -, ->）的約束條件。圖10為船體底部45°區(qū)域掏空時(shí)，約束區(qū)域示意圖：

圖10 船體底座約束示意圖（船尾45°區(qū)域掏空）

6 強(qiáng)度衡準(zhǔn)

參考中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，本船坐底強(qiáng)度有限元計(jì)算采用強(qiáng)度衡準(zhǔn)值如下：

板單元許用應(yīng)力：[σ] =σ/ S N/mm

式中：S——安全系數(shù)。對(duì)于板單元，S=1.43。

梁?jiǎn)卧獞?yīng)力，限于篇幅暫不羅列，在實(shí)際項(xiàng)目計(jì)算中需要考核。

基于上述的載荷加載及約束條件，對(duì)全船進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果如表6所示，為典型的坐底計(jì)算應(yīng)力云圖如圖11所示。

表6 坐底強(qiáng)度有限元計(jì)算應(yīng)力結(jié)果（單位：N/mm2）

圖11 典型主船體板單元相當(dāng)應(yīng)力分布示意圖

7 總結(jié)

（3）坐底計(jì)算中，需要重點(diǎn)考慮船體橫縱艙壁、縱行、船底板等區(qū)域的應(yīng)力水平，尤其掏空約束附近（如圖12所示）；

圖12 干坐底起重工況板單元合成應(yīng)力分布

本文對(duì)具有坐底功能的打撈工程船，按照《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》要求進(jìn)行坐底強(qiáng)度計(jì)算校核。經(jīng)過(guò)多種工況計(jì)算及對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）本船3種坐底工況中，干坐底起重工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平相對(duì)較高，另外2種坐底工況（10 m吃水坐底起重工況、坐底自存工況）結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平相對(duì)低；

（2）對(duì)于起重機(jī)舷側(cè)的掏空工況需要重點(diǎn)關(guān)注，屬于高應(yīng)力計(jì)算工況；

（4）對(duì)于坐底掏空區(qū)域約束附近區(qū)域的加強(qiáng)，需要考慮掏空面積多角度的變化帶來(lái)的加強(qiáng)區(qū)域的變化，加強(qiáng)區(qū)域要覆蓋整個(gè)約束附近區(qū)域。

由于本次計(jì)算是在假設(shè)條件下進(jìn)行的，實(shí)際作業(yè)環(huán)境更加復(fù)雜多變，所以船舶在進(jìn)行坐底作業(yè)時(shí)需要考慮更多的作業(yè)環(huán)境條件對(duì)船舶坐底作業(yè)的影響：進(jìn)場(chǎng)前需要深入考察作業(yè)水域環(huán)境條件，包括風(fēng)浪流條件、作業(yè)工期內(nèi)的環(huán)境條件變化；需要考察海底是否平整，如果海底不平整，還需要平整海底；同時(shí)，坐底強(qiáng)度計(jì)算假定掏空為20%的船底面積，實(shí)際上可能會(huì)出現(xiàn)船體坐底面積外沿掏空等其他形式的掏空，所以實(shí)船運(yùn)作時(shí)應(yīng)通過(guò)觀察船舶浮態(tài)、傾斜角等方法做好船舶的監(jiān)控工作，確保海底即使被掏空后也不會(huì)出現(xiàn)船舶坐落于海底懸崖邊緣的現(xiàn)象，即掏空區(qū)允許一定的砂土流失，但絕不能發(fā)生海底砂土劇烈流失形成海底的懸崖式實(shí)質(zhì)落差。

沖刷掏空情況主要是由于海流速度過(guò)大，橫向掏空對(duì)穩(wěn)性最為不利，應(yīng)盡量避免船寬方向與海流方向一致；船體內(nèi)的多余重量（如遠(yuǎn)超坐底穩(wěn)定要求的壓載水量），將導(dǎo)致處于海底掏空狀態(tài)的船體承受增大的船體梁載荷，所以必須及時(shí)地調(diào)整船內(nèi)壓載水量。