半潜船结构设计简介

许旸

摘要：半潜船具有作业工况多、装载货物不确定及船型宽扁的特点，结构设计及强度校核有别于普通运输船。本文通过对某50 000 DWT半潜船的结构强度研究分析，阐述了半潜船船型结构特点及其设计要点，为半潜船设计、强度校核提供参考。

关键词：半潜船；结构强度

1.前言

半潜船是海洋油气开发和海上工程的利器，它不仅可适用于油田导管架、石油开采平台及配套海上结构物的下水，海洋石油導管架组件的“浮托法”安装，大型跨海大桥结构物、集装箱桥吊、大型工程船舶的远距离调遣，还可用于难船的起浮、移位、运输以及作为打捞救助作业平台。半潜船作为特种海洋工程船，船体必须具有足够的强度、刚度及一定的安全储备。由于半潜船的船型宽扁，尺度比不在规范的范围内；营运和作业工况多；装载货物结构及种类不确定性等特点。在半潜船结构设计时，必须合理解决如下几项技术难点：（1）全船骨架形式的确定；（2）船体中横剖面设计；（3）尾浮箱固定及移动、纵舱壁过渡区域等重要部位局部强度的加强。（4）波浪弯矩及剪力计算预报。

2.半潜船全船骨架形式选取

根据半潜船的作业特点，其作业工况有：无限航区航行、半潜作业和尾部（尾部上货比横向要求高，计算时考虑尾部上货工况）上货三种工况，每种工况又有许多种不同的装载状态。全船骨架形式的确定必须综合考虑各工况及其不同状态对强度的要求。

结合50 000 DWT半潜船的主尺度及抢险打捞和运营中尾部上货工况的情况，主船体（包括主甲板，平台，纵壁，舷侧和船底）采用纵骨架式，以保证该船有足够的总强度。考虑该船在打捞和运营中也存在横向上货的情况，故载货区域沿船长方向每3个肋位（2400mm）设置横向强框架用于支撑纵向构件，全船水密横舱壁扶强材为垂向布置，以保证船体横向强度。

主船体为双甲板、双底、单壳结构，主甲板到船底设有两道首尾贯通的连续纵舱壁及11道水密横舱壁。纵舱壁区域设置纵向通道，位于双层底与2甲板之间。

船体纵向连续构件自船舯向首、尾尽可能延伸，船体主要构件保持连续贯通，中断时适当做了过渡和补偿加强。

3.半潜船船体中横剖面

船体中横剖面是承受和传递船舶自身载荷、货物载荷、静水载荷和波浪载荷关键结构；是空船重量重心控制、获取较大剖面模数的主要方面；是提高船舶强度、确保半潜船功能（大装载能力和下潜）实施的重要环节。中横剖面上结构件的布置会直接影响到总体结构的合理性。以较简单的结构形式、尽量轻的结构重量、获取较大中剖面模数、传承船舶的静水弯矩和波浪弯矩、满足总纵强度的要求，是船体结构研究和设计的目标。

为此，中横剖面设计应综合考虑载荷（静水弯矩和波浪弯矩）、骨架形式、骨材形式选取、材料选择等因素影响。本半潜船的结构主要构件尺寸通过多种途径对结构构件的尺寸及形式进行优化：

（1）主船体（包括首楼、尾浮箱）采用AH36、DH36或EH36高强度钢，以尽量轻的钢料重量获取较大的剖面模数，使船体中横剖面的设计既满足总体I生能对结构重量的控制要求，又保障该船的总强度以及局部强度，使该船的结构达到相对最优化。

（2）主甲板采用普通钢，且主甲板板厚在满足规范要求的基础上需再加厚3 mm的裕量，以适应打捞作业和重大件装卸载过程中产生的磨损要求。

（3）该船的特殊构件通过局部强度分析确定，并作适当加强。

剖面模数计算时，强力甲板（载货甲板）及其以下所有在0.4L区域内连续的纵向构件的剖面积，均可计入船体梁剖面模数。将船体梁横剖面对其水平中和轴的惯性矩，除以中和轴至强力甲板边线的垂直距离，可得出甲板处的船体梁剖面模数Wd；除以从中和轴至平板龙骨上表面的垂直距离，可得出船底处的船体梁剖面模数Wb。

4.船舶总纵强度分析

半潜船由于首部布置有高大首楼，尾部布置有尾浮箱，无论是航行工况还是下潜工况，其中拱弯矩远大于中垂弯矩。有效降低中拱弯矩是减少船体梁弯曲的重要手段。

4.1船体静水浪弯矩和切力

静水弯矩和静水切力可由船舶的装载情况获得其各工况下半潜船的纵向分布载荷，计算船体梁各横剖面处的静水弯矩MS和静水切力FS。

4.2船体梁波浪弯矩和波浪切力

半潜船属于特种工程船，其运输对象主要是海上重大结构物、导管架以及各类大型钻井平台等。因此，半潜船对船宽参数要求高，相对于其他运输船来说比较宽扁，系非常规船型。其主尺度不满足规范规定的适用范围（L/B>5、B/D<2.5），波浪载荷（波浪弯矩MW和波浪切力FW）将采用直接计算法确定。具体步骤如下：

（1）波浪载荷直接计算的假定

无限航区的船舶，波浪载荷的预报采用基于北大西洋海洋环境的IACS（国际船级社协会）Ree.34波浪统计资波浪统计资料；对于半潜船，航行工况的波浪载荷采用长期预报结果，半潜作业和尾部上货工况的波浪载荷采用短期预报结果；对于有限航区的船舶，波浪载荷的预报需基于所航行海区的波浪统计资料，如所航行海区的波浪统计资料不限于一种，则选取其中最严重的一种进行计算。

（2）波浪载荷计算的水动力模型

波浪载荷直接计算的水动力模型应满足以下要求：能正确反映实船的质量及分布，确保质量与实船的误差不大于0.1%，重心位置与实船的误差不大于0.1%L；湿表面应足够精细，能够在水动力意义上准确地描述实船的形状，排水量与实船的误差不大于0.1%，浮心位置与实船的误差不大于0.1%L，网格数一般不小于2 000。

（3）波浪弯矩和波浪切力计算

根据上述的有关规定要求和原则建立的水动力计算模型，计算作用在船体上的流体动力，获得波浪诱导的船体剖面剪力和弯矩载荷响应的传递函数，就可预报半潜船航行工况下10-8超越概率水平的船体剖面垂向波浪弯矩和垂向波浪剪力的长期极值，及下潜典型作业工况和假定期望的最危险作业工况在短期环境条件下的船体剖面垂向波浪弯矩和垂向波浪剪力的短期期极值。

4.3总纵强度

由直接计算确定半潜船无限航区航行、半潜作业和尾部上货工况的波浪弯矩和波浪切力结果，用于半潜船的总纵强度校核。

5.结束语

半潜船船体结构强度除了像普通货船一样按规范要求进行结构设计外，还要考虑它装载均质货或重大特殊货物集中载荷等不同货物结构对船舶总纵强度、横向强度的影响，特别是要对尾部上货或侧向（横向）上货等不同装载方式对船体结构强度的影响给予充分考虑。在半潜船未来的发展中，随着新技术、新材料的应用，将会设计出结构更加合理，船舶综合性能更加优越，更加适应作业使用需要的半潜船。