超大型半潜船船体结构直接计算设计研究

孙雪荣 杨 青

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

特邀专栏

超大型半潜船船体结构直接计算设计研究

孙雪荣 杨 青

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

借助直接计算设计技术，结合依托半潜船型自身特有的结构布置、特殊的不确定性重载以及较高的压载舱设计附加压力，由现行规范规则出发，从船体总纵强度、横向强度、最大变形和振动共计四个方面详细阐述超大型半潜船船体结构设计，为超大型半潜船的设计研发提供基础。

直接计算；半潜船；总纵强度；横向强度；最大变形；振动

引 言

半潜船系指有较大开敞露天载货甲板，首部或尾部有较高上层建筑、甲板室、浮箱，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，其具有独特的货物装载方式：先在压载舱内打入压载水使船半潜到水面以下一定深度，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上浮将货物托出水面，并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尺度和重量巨大的，连重吊船、滚装船和起重船都无法承运的大型海洋设备和工程结构物。

半潜船型由于其主尺度比、性能标准、结构形式、设备布置等方面与常规运输船相比差异较大，加之型宽/型深较大，故不利于船体梁总纵强度［2］。目前，各船级社对半潜船章节的规定和描述一般较为笼统且不尽完善，很多适用于货船或普通船舶的标准和规定很难具体执行于半潜船，尤其是大型或超大型半潜船。因此，本文从直接计算技术［3］出发，着力阐述依托超大型半潜船项目在船体结构设计方面的强度、刚度及振动等特殊的自身设计技术，为开发新型超大型半潜船提供理论设计基础，更为目前超大型化的半潜船实际设计提供工程前提。

本文在总结我院成功设计两型50 000 载重吨级大型半潜船的工程经验基础上，主要阐述依托项目“90 000 载重吨级超大型半潜船项目”的船体结构计算设计。该项目为双机双桨常规推进，总长255 m、型宽68 m、型深14.5 m、下潜吃水30.5 m、设计吃水10.2 m，移动式可拆卸尾浮箱，门字形甲板室布置于首楼甲板，主机与艏侧推装置均位于首部甲板室下方的双层底上，螺旋桨布置于尾部并带导流罩。总布置示意见图1。

图1 依托项目超大型半潜船总布置示意图

1 船体总纵强度直接计算

载运海洋结构物的大型半潜船，其船体结构设计的难点和特殊点主要在于型深较小，并且主甲板载货区设计载荷大大超出常规船舶。除大面积均布载荷工况外，类似Spar平台等随机性大范围集中重载工况带来的船体总纵强度比较严峻，而且主甲板面积将反复承受焊接和气刨，因而主甲板一般均会额外增加厚度。此外，船体结构质量占空船质量的比例较高，以及半潜船特殊的首部高首楼和尾部尾浮箱，使设计中必须尽量控制船体首尾结构质量，以降低重心并减小因船体空船质量而引起的中拱弯矩［4］；而且首楼范围段船体结构与主船体连接处的结构和刚度连续性，尾部上货工况时的偏尾部结构弯曲和剪切强度问题等均为半潜船自身特有的结构布置形式带来的设计问题。

针对超大型半潜船的船体总纵强度设计，本文采用了传统二维中剖面计算结合三维总纵强度直接简化计算技术的联合路线，关于直接简化计算技术的具体细节可参见文献［3］。计算工况的选择基于静水载荷、波浪载荷极值相应的实际装载稳性计算书，船体湿表面以下全船范围内节点载荷的施加通过程序化数值语言自动实现。有限元直接简化计算模型示意图见图2。

图2 总纵强度直接计算三维有限元模型

三维直接计算结果总结见下页表1，主要构件应力分布示意图见下页图3和图4。

三维有限元直接简化计算结果与二维中剖面计算结果在船舯区域一致；前者更直观三维地反映超大型半潜船船舯区域、首楼分段与主船体连接区域，尾部分段与主船体连接区域的应力空间分布，基于三维空间应力分布下的全船范围船体结构质量控制，从全船结构强度和刚度连续性角度更全面地指导船体结构设计，弥补二维中剖面设计的不足，较为理想地解决了半潜船型独特的船体结构布置特点所重点关注的结构区域设计问题。

表1 总纵强度直接计算结果列表MPa

图3 外板正应力分布示意图

图4 外板剪切应力分布示意图

2 船体横向强度直接计算

半潜船型特有的所有大量压载舱均需设置空气管，空气管穿越强横梁，而且压载舱结构设计附加压力达到3.0 bar（0.3 MPa）。半潜船（尤其是100 000 载重吨级的超大型半潜船）的B/D值已接近5.0，压载水舱容总量预计超过200 000 m3。超强的压载水调节能力可以保证船体纵向弯矩在船体梁设计弯矩之内，却对船体梁横向强度提出挑战。非确定性的集中重载货物在强横梁处设计载荷可达125 t/m，这些情况将使半潜船型的横向强度问题变得极为严峻。目前规范对半潜船横向强度设计提出的规定仍较为笼统，如CCS规范要求：

（1）应对整个船长范围内典型横向结构进行横向强度校核。

（2）计算工况应包括半潜船典型的作业工况，其中应含有假定期望的最危险作业工况。

（3）横向强度校核时，应考虑下述载荷的作用：

① 半潜船自重（包括龙骨墩）；

② 被运输对象的最大质量；

③ 特定吃水下的外部静水压力；

④ 相对应于③时，半潜船举起被运输对象最大质量时，均布压载水的内部静水压力。

（4）弯曲许用应力为170/K（MPa）、剪切许用应力95/K（MPa）、任何点合成应力许用应力取为180/K（MPa），K为材料系数。

本文对半潜船横向强度结构设计参照驳船横向强度直接计算规定进行（舱段有限元模型示意图见下页图5），严格结合本船实际情况，横向强度计算时充分考虑不同甲板设计载荷、不同压载水舱作业、不同空气管排载等半潜船所特有的作业工况。本船船舯区域横向强度实际计算工况共计23个，船尾区域横向强度仅考虑压缩空气排压载水工况（实际共计9个）。典型计算载荷工况与横向构件应力结算结果的示意图分别见下页的图6与图7。

通过对于目前几型半潜船横向强度的设计总结，我们提出对于大型甚至超大型半潜船的横向强度结构设计，需特别注意以下结构：空气管穿越强框架的剪切面积补偿；垂直桁端部放大的抗弯刚度及趾端设计；双层底肋板在垂直桁附近的剪切强度；横舱壁水平桁的弯曲、剪切强度设计；纵骨穿越桁材处与桁材腹板的连接面积。尤其要注意应根据经验适当降低压缩空气排压载舱结构的设计许用应力，以达到结构安全设计的目的。

图5 横向强度直接计算有限元模型示意图

图6 横向强度计算典型工况示意图

图7 横向结构应力分布示意图

3 船体梁变形直接计算

除主甲板外，全船采用高强度钢，提高了船体结构强度，控制了空船质量，但同时也牺牲了船体梁总体刚度。通常超大型半潜船船舯剖面惯性矩余量较小，在质量可控的前提下，尽量使船舯0.4L范围内纵向连续构件尺寸不变。目前规范对半潜船惯性矩的要求与普通船一致， 船舯剖面对水平中和轴的惯性矩I不小于下式计算之值（其中各参数具体含义见文献［1］）：

本文阐述的半潜船型船体变形直接计算有限元模型及载荷同船体总纵强度直接计算章节，直接计算变形示意图见图8。

图8 中垂变形示意图

对我院几型大型半潜船船体设计载荷下船体变形的三维直接简化计算结果统计可知，对于大型甚至超大型半潜船而言，在初期设计阶段，船体梁变形值可由以下公式估算：

式中：δmax为船体梁最大变形值；Mmax为船体梁设计载荷对应的弯矩值；L为计算船长；E=2.06×105N/mm2为弹性模数；I为船舯剖面惯性矩；f≈0.095，具体数值取决于设计主导载荷工况下的载荷分布均匀程度。

该估算公式参照两端自由支持简支匀质梁［5］变形计算公式的表达形式，并引入f≈0.095的无量纲因子。由目前掌握的计算统计数据来看，在满足了规范对半潜船惯性矩要求前提下，大型甚至超大型半潜船船体梁最大变形一般大于L/400，远未达到工程上常规船舶所认可的L/500（L为计算船长）。但是，现行规范并未对半潜船设计提出明确的挠度控制指标，而目前有些高配置半潜船已应船东要求配置了挠度控制系统，以监控输出整个船长范围内的最大挠度值，相信随着半潜船日趋超大型化，这一点定将越来越趋常态化。

4 船体振动直接计算

采用全电力驱动系统是当今半潜船的主流配置形式，伴随着长距离航行和动力定位的需求，推进器配置形式也趋于多样化。电力推进［6-8］是用变速驱动方式改变船舶航速，螺旋桨本身不需要额外任何控制，可以采用定距螺旋桨，其最大特点是将原动机与螺旋桨分开布置，柴油发电机组恒速运行，能远离船体结构的共振点，机组负荷平稳，不会产生较大的额外振动和噪声。典型半潜船动力配置表见表2。

表2 半潜船典型动力配置表

随着半潜船技术的发展和半潜船市场竞争的加剧，半潜船携带技术人员的数量也日益增加，因此甲板室结构的舒适性设计要求也越来越高，而甲板室布置在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。不过甲板室尺寸又进一步受到首楼甲板布置的限制，因此在控制甲板室总质量的前提下，如何有效平衡甲板室总质量、局部强度与振动等问题已成为大型半潜船结构设计的重要部分。本文从总体振动、甲板室总振动、甲板室局部振动等方面进行了全船性振动控制设计，旨在全面了解大型或超大型半潜船特有的自身振动特性，以期在前期设计阶段全面控制船体振动。

4.1 船体总振动直接计算

船体总振动直接计算有限元模型基本与全船总纵强度直接计算模型相同，并在其基础上模拟空船质量和装载质量。除尾浮箱和甲板室外，空船质量调整可通过分段改变材料密度的方式来实现；尾浮箱和甲板室质量调整可通过调整相应结构整体材料密度来实现。整体有限元模型示意图见图9，最小装载状态下船体梁固有频率值计算结果见下页表3，典型船体梁振型示意图见下页图10。

图9 船体梁总振动有限元模型示意图

表3 船体梁固有频率值计算表（最小装载状态）

图10 超大型半潜船船体梁振型示意图

之所以仅选取最小装载状态，源于半潜船型特殊的不确定性重载任务。从理论上讲，装载货物工况下的船体梁固有频率值将低于最小装载状态下的固有频率值；但装载体积庞大、重心高度较高的货物时，货物固定方式一般均直接焊接至主甲板，被载货物实际参与船体梁强度和刚度，并且需根据目标重载的具体属性进行独立的总强度及局部强度等各方面核算并提交有关当局认可，这也是半潜船型“一物一算”的船型特有问题。

由船体自由振动计算结果可知，本船最小装载下的总体振动要注意可能发生的波激振动现象。波激振动的明显表现是较大尺度的海船（L不小于180～200 m），以及船体型深与长度之比H/L不大于1/16～1/18的弯曲刚性较低的船舶（有限航区浅吃水船舶和河海混杂航行船舶）所特有的。

本依托项目中的超大型半潜船弯曲刚性偏低（D/L=1/17），且属于大尺度型海船，因此波激振动难以避免。船体的波激振动最主要表现为引起船体的疲劳现象。因此，实际结构设计中对纵骨的节点形式、连接面积、焊接系数等均在比较各家规范后，严格按照DNV规范的较高要求进行，以避免引起可能的疲劳问题。

4.2 甲板室振动直接计算

由半潜船型典型动力配置可知，大型或超大型半潜船的甲板室结构振动控制设计一般要求甲板室总体振动和局部振动均需避开螺旋桨和主辅柴油发电机等激励频率。本依托项目采用三维有限元直接计算方法，确定各关心甲板室区域结构固有频率值，以期在设计阶段避免共振现象发生。甲板室总振动计算模型在船体梁总振动有限元模型下完成（见图9），不同之处在于进一步结合最新的详细甲板室质量统计信息，对甲板室质量分布进行详细模拟。

本文阐述的甲板室长14.4 m、宽42.5 m、高17.85 m，共计6层（见图1），内部并无连续纵壁（初始设计方案），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，因此其甲板室总振动设计在最初设计方案基础上，由本船内部布置和结构连续性出发，立足实际工程，增设内部完整连续的距中约8 500 mm的2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（计算结果比较见表4），但共计3层甲板的房间、配套的管路、电缆、通风等均作同步调整（结构示意图见图11）。

表4 甲板室固有频率计算值比较表Hz

图11 增设连续纵壁

半潜船的甲板室布置及尺寸受制约因素相对较多，因而如何在有效控制甲板室总质量前提下，权衡局部布置、强度及振动等方面尤其重要。甲板室前后端壁与主船体的连接在满足各方要求下务必做到刚度连续；在甲板室尺度已定的前提下，务必注意甲板室本身整体的支撑刚度和剪切刚度，以避免结构不连续或刚度不匹配引起局部破坏问题。

除甲板室总振动外，甲板室板架局部振动计算在甲板室整体振动有限元模型基础上进行，有限元模型在首楼甲板截断处统一按照简支处理。有限元模型示意图见图12，典型板架局部振型示意图见下页图13。因甲板室总质量控制的需要，半潜船型板架结构设计中要注意纵桁、横梁相互支撑的实际需求并根据实际情况，妥善地布置圆柱结构以减小板架跨距。

图12 甲板室局部振动有限元模型示意图

图13 甲板室各甲板板架典型振型示意图

甲板室局部板和加筋板结构固有频率值计算依旧采用传统Rayleigh-Ritz计算方法［9］，设计中严格注意局部板和加筋板结构固有频率避开激励频率范围即可。

5 结 论

半潜船型因其笼统的规范规定和独特的超尺度比、性能标准、结构形式、设备布置等特点，直接计算设计技术在其设计研发中占有重要地位。本文利用直接计算设计技术，着重解决了超大型半潜船结构设计需关注的特有问题：

（1）着重于利用三维有限元直接简化计算技术结合传统二维中剖面设计，完成依托超大型半潜船的总纵强度设计；

（2）借助传统的舱段有限元三维直接计算分析技术，结合船型实际特点，完成依托超大型半潜船关心区域横向强度设计；

（3）统计分析几型半潜船船体梁变形直接计算结果，总结和提出适合于大型或超大型半潜船的船体梁变形估算公式；

（4）采用总体、局部相结合的振动控制技术完成依托超大型半潜船项目的船体振动控制设计。

希望本文能对超大型半潜船型研发起到抛砖引玉的作用，并为大型化海洋工程辅助船型的结构设计提供借鉴。

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Direct calculations of structure of ultra-large semi-submersible vessels

SUN Xue-rong YANG Qing
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The semi-submersible vessels are characterized of unique structural arrangement, special uncertain overloading, and higher additional pressure of the ballast tank. According to the current regulations, the structure design of an ultra-large semi-submersible vessel has been introduced from its longitudinal strength, transversal strength, maximum defl ection and vibration by the direct calculation design method. It can provide the basis for the design and development of the ultra-large semi-submersible vessels.

direct calculations; semi-submersible vessels; longitudinal strength; transversal strength; maximum defl ection; vibration

U662.2

A

1001-9855（2017）02-0001-09

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.001

2016-10-13；

2016-10-28

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研究。杨 青（1972-），女，研究员。研究方向：船舶结构设计研究。