超大型半潜船振动设计研究——甲板室总振动控制设计

沈玉琦 孙雪荣

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

超大型半潜船振动设计研究
——甲板室总振动控制设计

沈玉琦 孙雪荣

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

采用三维有限元分析技术、依托项目船型进行四种不同设计方案的甲板室总体振动研究，从增加甲板室支撑刚度和剪切刚度出发，结合半潜船自身的结构布置特点，研究各方案对结构设计的影响及优缺点，为超大型半潜船的甲板室振动控制设计提供理论与技术支撑。

三维有限元方法；总体振动；甲板室；结构布置；半潜船

引 言

半潜船指有较大开敞露天载货甲板，首部或尾部有较高上层建筑（或甲板室或浮箱），并且在装卸货物作业过程中呈半潜状态的船舶［1］。与常规货船相比，半潜船有其独特的货物装载方式：先往压载舱内注入压载水，使船半潜至水面下一定深度；然后将漂浮在水面上的大型货物定位到主甲板上方；再通过排放压载水，使船体上浮，从而将货物托出水面，使其承载在主甲板上进行运输。这一独特的半潜装卸功能使半潜船能够承运重吊船、滚装船和起重船等均无法承运的大型海洋设备和工程结构物。

近年来，随着海工装备日趋大型化，以重货运输市场为主要导向因素的半潜船其船型尺度也随之增加，载重吨和载货尺寸均呈现跨越式发展。由于半潜船市场竞争日益激烈、半潜船携带技术人员的数量也日趋增加，因此对于甲板室结构的舒适性设计要求也越来越高。将甲板室布置于高大的首楼也是由半潜船特殊的货物运输要求和较深的下潜吃水所决定，然而甲板室尺寸又受到首楼甲板布置的限制。因此，在控制甲板室总体质量的前提下，如何有效平衡局部强度与振动已成为大型半潜船结构设计的关键。

本文主要阐述依托项目“某90 000载重吨级超大型半潜船”的甲板室总体振动设计。该船的门字形甲板室布置于首楼甲板，主机与首侧推装置均位于首部甲板室下方，螺旋桨布置于尾部并带导流罩。门字形甲板室长14.4 m、宽42.5 m、高17.85 m，共计6层。甲板室底部距基线35.0 m，甲板室重约930 t（不含烟囱）。文中结合本船实际布置和不可协调因素，除初始方案以外，另采用四种方案进行甲板室整体振动的分析设计，以期提高甲板室整体支撑刚度或甲板室抗剪切刚度［2］。

1 方案设计

1.1 初始方案

初始方案如图1所示。

图1 初始方案

1.2 方案1

协调内部舱室布置，增设FR94+800内部横舱壁及下围壁（见图2）。

图2 方案1 增设横壁

1.3 方案2

协调内部舱室布置，将距中不连续8 500 mm纵壁更改为连续纵壁，同时协调内部设计，开设门洞局部加强（见图3）。

图3 方案2 连续纵壁

1.4 方案3

协调外部首楼甲板布置，左右舷侧壁、中纵桁以及距中2 550 mm间增加大肘板结构，以增加甲板室底部刚度（见图4）。

图4 方案3 底部局部加强

1.5 方案4

协调外部首楼甲板布置，甲板室前端壁和左右侧壁外增加FR97-FR98景观性外围壁（见图5）。

图5 方案4 前端壁对齐主船体横壁

2 甲板室总振动计算

甲板室总振动计算采用三维有限元法，借助有限元软件MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN，以骨材间距为单元间距，采用四边形壳体单元结合两节点梁单元模拟甲板室整体结构，建立如图6所示有限元计算模型；同时按照甲板室质量统计，严格区分各层甲板板材及围壁质量分类统计数据，并对模型质量逐层进行调整，使甲板室质量分布基本与实际统计数据一致。

本船烟囱底部与甲板室底部连接。为全面考虑甲板室底部支撑刚度的影响，甲板室整体固有频率计算的有限元模型中应包含全部的烟囱结构及其相应的总重。

图6 甲板室整体有限元模型

本船甲板室整体坐落于首楼甲板，不同方案的有限元计算仅限于对不同方案下甲板室总纵一阶固有频率的研究及分析，因此有限元模型在首楼甲板截断处统一按照简支处理。

有限元计算所得甲板室总纵一阶固有频率计算结果见下页表1，纵向一阶振型典型示意图见下页图7。

实船设计中，确定甲板室的总振动固有频率值需注意综合考虑首楼甲板下结构支撑刚度的影响，而不仅是简单地进行简支或刚固处理。

表1 有限元计算结果列表Hz

图7 一阶纵向振型典型示意图

3 基于设计考虑的不同结构方案

本船甲板室长14.4 m、宽42.5 m、高17.85 m，共计6层，内部无连续纵壁（初始方案），前端壁与主船体内横舱壁未对齐，甲板室尺度本身决定了其纵向刚度较弱，内部布置及与主船体的连接也导致上层建筑的剪切刚度和支撑刚度均偏弱。文中比较的四种方案均以增加甲板室的剪切刚度或支撑刚度为出发点，同时考虑本船实际可行性布置，以切合依托船型的实际设计状态为基本宗旨，综合比较各方案利弊，为依托船型甲板室的振动设计提供技术依据。

不同方案所引发的甲板室质量调整和固有频率变化见表2。

表2 不同方案比较

综合表1和表2的数据可知：

方案2以增加最少的结构质量来尽可能提高甲板室整体纵向刚度，与螺旋桨叶频激励错开大于20%，从理论上支撑了本船初始甲板室设计必须提高其纵向抗剪切面面积，进而提高纵向剪切刚度的技术思路。

方案1 由本船内部布置出发，利用原舱室布置，增设内部横舱壁，因此改动较少。但该方案缺点是因增设横舱壁而引起局部纵壁结构上下未对齐、首楼结构构件不连续、甲板室质量增加较多以及甲板室整体结构不连续处较多。

方案2 基于本船内部布置和结构的连续性，增设内部完整连续的8 500 mm左右两道对称纵壁，船体结构调整较少，甲板室整体剪切刚度增加效果明显。但该方案引起内部舱室调整幅度很大，共计三层甲板的房间均需重新调整，配套的管路、电缆、通风等均需同步调整。

方案3 基于本船外部布置和增加甲板室的支撑刚度。不过，该方案虽然利用了总体布置，但严重影响甲板室美观，且甲板室整体刚度增加有限。

方案4 基于本船外部布置和增加甲板室剪切及支撑刚度，甲板室外部美观有所改善，甲板室前端壁与主船体横舱壁实现对齐。不过，该方案首楼甲板布置需要调整，甲板室质量增加较多。

本文以方案2的甲板室详细有限元模型为基础，结合全船有限元模型［4-5］（综合后的全船有限元模型见图8），并详细模拟空船质量和典型工况质量分布信息，进行甲板室整体振动固有频率复算，得出典型装载下的甲板室一阶纵向固有频率值为8.64，从而进一步确定具体方案2下的甲板室整体纵向一阶固有频率值，与螺旋桨叶频激励错开提高至24%。

图8 综合全船有限元模型示意图

4 结 论

由以上各方案甲板室整体一阶纵向固有频率计算结果可知，增设内部连续8 500 mm纵舱壁结构的设计方案2，是以切合依托船型的实际设计状态为基本原则，直接增加上层建筑的纵向剪切刚度，以增加最少甲板室质量来达到刚度最大化的效果，从而为以后同类型超大型半潜船的甲板室整体振动设计提供较强的理论和技术支撑。

本文旨在提醒以后同类型布置的超大型半潜船甲板室整体设计务必严格注意甲板室的整体剪切刚度和支撑刚度，从而在前期设计阶段有效预防甲板室的整体振动。

［1］中国船级社.钢质海船入级规范［S］.2014.

［2］中国船级社.船上振动控制指南［S］.2010.

［3］金咸定，夏利娟.船体振动学［M］.上海：上海交通大学出版社， 2010.

［4］孙雪荣.船型结构物的总纵强度直接简化计算技术研究［J］.船舶， 2016（3）：1-7.

［5］殷玉梅，赵德友.船舶上层建筑整体振动有限元建模方法研究［J］.中国造船， 2009（3）：49-56.

信息动态

“远海大型浮式结构物研发”项目顺利通过验收

2016年10月31日，受国家发改委委托，中船集团公司科技部在上海组织对由中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）牵头，上海外高桥造船有限公司、上海交通大学、中国科学院海洋研究所、中船第九设计研究院工程有限公司和哈尔滨工程大学等单位参研的国家发展改革委海洋工程装备研发及产业化专项“远海大型浮式结构物研发”进行了验收。

项目对大型浮式处理与补给基地（FPSB）功能与规划、总体方案、结构设计技术、长效防腐技术、系泊技术及模型试验、与岛礁连接技术等8个专题进行了研究，突破并掌握了其功能规划及总体设计技术、基于极限状态的结构设计技术、改进型重防腐涂料及氧化聚合型包覆长效防腐技术、多点深水系泊设计及模型试验技术、长距离轻型浮式栈桥设计技术等前瞻性关键技术，研究成果可直接应用于FPSB的设计建造，是发展FPSB的重要技术储备。

“远海大型浮式结构物研发”项目由MARIC海工部承担，顺利通过验收专家评审，并获得领导和评审专家的一致好评。

On vibration design of ultra-large semi-submersibles— control design of global vibration of deck house

SHEN Yu-qi SUN Xue-rong
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper describes four different design schemes about the global vibration investigation of the deck house for the ultra-large semi-submersibles by three-dimensional finite element method (FEM).The influence of the different schemes on the structural design and their advantages and disadvantages have been studied based on the enhanced supported stiffness and shear the stiffness of the deck house, combined with the structural arrangement characteristics of the semi-submersibles.It can provide the design foundation for the control design of the deck house on the ultra-large semi-submersibles.

three-dimensional FEM; global vibration; deck house; structural arrangement; semi-submersibles

U661.44

A

1001-9855（2016）06-0001-05

工业和信息化部高技术船舶科研项目（工信部联装［2014］507号）。

2016-08-13；

2016-10-13

沈玉琦（1980-），男，高级工程师，研究方向：船舶结构设计及项目管理。孙雪荣（1979-），女，高级工程师，研究方向：船舶结构强度分析及振动噪声。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.001