某極地科考船月池系統(tǒng)結構設計探討

朱成平 張柏梁 韓驥棟 程志

摘? ? 要：本文簡述了某極地科考船月池系統(tǒng)的總體布置，并對與月池內部系統(tǒng)（艙蓋系統(tǒng)、滑車系統(tǒng)、動力操作系統(tǒng)、消波壁等）相關的船體結構設計進行探討。

關鍵詞：科考船；月池；艙蓋；滑車系統(tǒng)；消波壁

中圖分類號：U674.81 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Discussion on Structural Design of Moonpool System

of a Polar Scientific Research Ship

ZHU Chengping，? ZHANG Bailiang，? HAN Jidong，? CHENG Zhi

（ Guangdong GSI Marine Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，? Guangzhou 511457 ）

Abstract： The article briefly describes the design characteristics of moon pool system， and introduces the overall layout and structural design of the moonpool system of a polar scientific resanrch ship， and discusses the design of hull structure related to the internal system of moon pool， such as hatch cover system， pulley syetem， power operation system and wave wall.

Key words： scientific research ship;? moon pool;? hatch cover;? pulley syetem;? wave wall

1? ? ?前言

某極地科考船是一艘具有全球深遠海探測與綜合作業(yè)能力的科考船。該船帶有大尺寸的月池系統(tǒng)，月池內設置底蓋、頂蓋、滑車系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、消波系統(tǒng)等，設備多且集中。設備布放時，工作應力很大，設備與船體之間的連接處往往會出現應力集中，對船體結構影響非常大，對空船重量的控制非常不利。如何使月池系統(tǒng)設計滿足結構及工藝方面的要求，對月池內部的加強結構進行優(yōu)化，降低造船成本是非常重要的事情。

某極地科考船月池由主甲板通往船底，月池圍井尺寸為6.4 m×7.6 m，凈開口尺寸達4.8 m×6 m，設置有頂蓋和底蓋，內部設有消波壁和科考作業(yè)系統(tǒng)；大開口的存在對船體總縱強度造成損害，同時對船體的橫向強度及剛度都有顯著的影響；結構設計需要滿足5級海況開啟月池進行科考作業(yè)、應急回收的安全性。本文在保證船體安全、滿足結構規(guī)范的情況下，通過有限元、3D建模、水池實驗等手段對結構進行優(yōu)化，使結構設計更加合理。

2? ? 月池系統(tǒng)結構設計

本船按照CCS《鋼質海船入級規(guī)范（2022）》進行設計，為極地PC4級，根據規(guī)范對PC4的要求，月池內所有結構（包括底蓋、消波結構）都不需要考慮冰載荷的影響，但需考慮在極地作業(yè)時月池內部設備的防寒措施。在滿足結構規(guī)范的基礎上，通過模型匹配，完善結構設計，減少設計錯漏；通過有限元手段建立月池模型，并通過廠家提供的設備受力情況對結構進行評估，在此基礎上展開結構設計；通過模型水池實驗對月池內部消波系統(tǒng)進行綜合評估，找出消波性能最好的開孔方案。

2.1? ?艙蓋加強結構

頂蓋底蓋通過鉸鏈、液壓缸、鎖緊裝置等多種受力附件與船體相連，同時在縱桁正肋位還有許多與船體連接的普通附件，因此船體的相應部分必須予以加強。該類附件的板很厚，眾多附件需要與船體焊接，導致焊接熱應力過高，由此引起的船體焊接變形，難以保證艙蓋的安裝精度。為此：

1）必須首先保證廠家來貨精度，尤其是艙蓋內圈的精度；艙蓋與加強之間的對接焊縫要盡可能遠離艙蓋內圈，使焊接變形對艙蓋的影響盡可能的?。粶p少加強結構的板厚或尺寸，進一步減少焊接對精度的影響；

2）加大廠家艙蓋結構設計的范圍，將部分加強結構由廠家設計安裝，達到對接焊縫遠離艙蓋的效果；與廠家協(xié)調盡可能減少連接附件的規(guī)格和尺寸；通過有限元手段對現有加強方案進行驗證，在此基礎上進一步優(yōu)化船體加強的板厚和尺寸。艙蓋加強的設計改進，見圖1所示。

3）通過有限元計算得出艙蓋各附件加強結構在不同工況下的受力情況，根據計算結果，現有設計滿足要求。

2.2? ?布放滑軌加強結構

布放滑軌采用工字梁，滑軌帶有基座整體安裝在月池艙壁上，其中左舷為ROV滑軌，右舷為CTD滑軌。左右滑軌都采用三段式平行雙軌設計，其中底部和頂部采用固定式滑軌，中間采用活動式滑軌以避開頂蓋活動范圍；非工作狀態(tài)下，活動滑軌與上端固定滑軌齊平置于設備布放艙內；當頂蓋打開后，活動滑軌可以向下插入下端固定滑軌并與上端滑軌形成完整運行通道；下端固定滑軌及活動滑軌需承受海水的腐蝕，故都采用不銹鋼材質。滑軌設計見圖2所示。

左舷ROV滑軌固定在距中4 800艙壁上，該縱壁外側為實驗室無法向外擴大，由圖2可以看出：上端固定滑軌占用空間+活動滑軌占用空間=下端固定滑軌占用空間，所以滑軌的實際最大高度由ROV上端固定滑軌決定。

1）滑軌高度確定：月池左右艙壁的寬度為7600 mm、凈開口的寬度6 000 mm、底蓋密封寬度100 mm、滑軌與底蓋之間間隙40 mm、滑軌高度240 mm、滑車輪子占用空間145 mm，可以算出上端固定滑軌的最大允許高度為 275 mm；

2）ROV滑軌、CTD滑軌安裝精度要求：焊后滑軌直線度偏差≤1/1 000，滑軌各自直線度偏差≤2 mm，兩者平行度偏差≤1 mm，滑軌整體平面度偏差≤3/5 000；上端滑軌整體高度只有275 mm，扣除滑軌占用的高度，滑軌墊板的高度只能做到35 mm，這對結構需求來說是遠遠不夠的；

3）左舷ROV滑軌直接落在縱壁上，結構上采取的以下辦法：壁板骨材反向到實驗室一側，并限定骨材的高度不超出實驗室木作的范圍，以免影響實驗室空間；加大35 mm板的寬度，加大滑軌所在區(qū)域帶板的厚度；在滑軌反面增加T材支撐。ROV滑軌加強的結構設計，見圖3所示。

4）右舷主甲板上端的CTD滑軌與布放艙右舷艙壁相距965 mm，中間需滿足通道的要求，對應采取的辦法：將滑軌設計為多跨梁的形式，在滑軌端部及中部布置多個支撐點；滿足滑軌下端通道的最小要求，在不影響通道的邊角區(qū)域增加軟趾或肘板，以降低滑軌的有效跨距，從而增加滑軌的強度；滑軌上端非通道區(qū)域只在平臺或平臺中部對滑軌施加橫向支撐，以控制鋼材重量。CTD滑軌加強的結構設計，見圖4所示。

5）通過有限元分析計算，得出滑軌加強結構在不同工況下的受力情況，根據計算結果，現有設計滿足要求。

2.3? ?動力裝置加強結構

月池內部設置的動力裝置，包括起升絞車、CTD導向滑輪及ROV導向滑輪：導向滑輪坐落在甲板或艙壁上，加強結構相對簡單；起升絞車安裝在月池工作平臺上，絞車有固定基座，通過螺栓與工作平臺連接。

1）工作平臺作為起升絞車的安裝平臺，需要具有足夠的強度和剛度，解決辦法是：用兩道鋼梁作為工作平臺的主要支撐，鋼梁固定兩側艙壁上，格柵鋪設在鋼梁上；絞車基座為工字截面的框架，具有相當大的強度，可以對平臺鋼梁提供水平支撐，增加平臺的穩(wěn)定性，從而減少非必要的結構構件。起升絞車平臺結構設計，見圖5所示。

2）通過有限元分析計算，得出滑軌加強結構在絞車工作時相連結構的受力情況，根據計算結果，現有設計滿足要求。

2.4? ?消波結構

月池艙蓋打開的情況下，月池圍井內部海浪涌進，會有噪聲、震動、拍擊等不良影響。在月池內部四周設置孔狀結構的消波結構，可以大幅度減少月池內部海浪的波浪能對月池艙壁的沖擊；消波結構可以消減月池內部波浪能，但對于船體空船重量是額外的增加，如何在提升對消波效果的情況下減少鋼材的用量，是設計需要考慮的問題。

1）消波壁寬度的確定：月池開孔位于月池的幾何中心，月池艙壁離開孔邊界之間的距離只有800 mm，底蓋密封圈需要在凈開口基礎上額外占用100 mm寬度，所以底蓋的最小設計寬度達到6200 mm，底蓋兩側距月池艙壁的距離不會超過700 mm的凈空間，考慮底蓋打開所需空間并留有一定間隙以及消波壁內部的通行問題，設定消波壁的寬度為600 mm。

2）考慮消波結構輕量化：將消波壁采用平面開孔板結構，將消波壁與月池艙壁設計成雙殼結構，加強筋設計成組合肋板形式；消波結構采用最小要求的板厚，加強肋板具有足夠的強度，可以盡可能多的開設減輕孔以減少鋼材用量。

3）艙蓋對消波壁的影響：月池底蓋與四周船體之間設有大量連接構件，比如液壓缸、鎖緊裝置、鉸鏈，這類構件有操作空間以及檢修空間的要求，所以月池底部雙層底范圍所在區(qū)域都不能設置消波壁；同時，月池打開的狀態(tài)下，頂蓋、底蓋打開后也能對所覆蓋的月池艙壁進行良好的保護，所以該區(qū)域不需要做消波壁，同時在ROV、CTD運行滑軌所在范圍也不設置消波壁。作為代替，在月池裸露區(qū)域，即無艙蓋又無消波壁同時沒有空間要求的區(qū)域，設置若干固定式消波板，消波板向下45°等距離安裝在月池艙壁上。消波結構設計，見圖6所示。

4）消波效果：通過研究表明，月池內流體除了在波浪或海流的擾動下以波浪頻率或遭遇頻率振蕩外，還將誘發(fā)其活塞固有頻率的振蕩，導致月池內部自由液面高出外部。消波壁的作用就在于消減月池內部流體的動能，降低月池內部自由液面；本船采用消波壁+消波板組合的方案，消波壁上的開孔比例會對消波效果造成直接影響，本船采用縮尺比為1：35的月池模型進行實驗，測量不同的開孔方案下月池模型相對自由液面高度（月池模型內外自由液面之間的高度差），通過不同方案之間測量值的對比，得出各方案的消波效果。實驗結果表明，本船消波壁上的開孔面積為～25%左右時消波效果最佳。

3? ? ?結束語

本文通過對某極地科考船月池系統(tǒng)結構的闡述，表述了月池系統(tǒng)關鍵結構的設計要點及需要重點考慮的問題，同時結合設計中采用的結構優(yōu)化方法，對月池結構設計提出指引，希望本文對后續(xù)該類帶有月池的船舶的結構設計具有一定的參考作用。

參考文獻

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