大型半潜船舱段有限元工况设计研究

2021-07-05荆海东

船舶 2021年3期

荆海东杨青

（中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011）

引言

半潜船诞生于20世纪的60～70年代，是用于运输超长、超重且不可分割的超大件特殊货物的特种工程船［1］。因运输海洋工程大型结构物的功能需要，半潜船的船型布置和受力特点较常规船舶有较大差异，特别是随着半潜船的大型化发展和更高的装载能力要求，有必要对其结构设计技术进行深入研究。

相较于普通运输船载荷分布相对较为均衡，半潜船常常会承受较集中的载荷。其运输货物复杂多变，如何通过有限的载荷工况组合覆盖所有设计工况是一个值得研究的问题。

1 半潜船典型作业工况和载荷

半潜船作业主要有浮托安装和运输，滚装上船和下船，滑移上船和下船（一般可分为纵向滑移和横向滑移）以及吊运。通常半潜船计算需考虑航行工况、半潜工况（压排载）和码头作业工况（尾部上货和横向上货）。半潜船各典型作业工况均需考虑船体运动加速度、海水压力（动压力和静压力）、液舱压力、甲板货物载荷和船体梁等的组合作为设计工况。

航行工况是半潜船在设计最小吃水和最大航行吃水之间载货或不载货航行。甲板承受货物本身及运动所引起的载荷，舱内承受液舱压力，舷外承受静水压力和波浪动压力。航行工况通常无需考虑在极端天气下采用压缩空气调整压载水，仅考虑液舱压力、甲板载荷和船体梁载荷等的组合，不考虑额外的压缩空气压力。航行工况通常是船体结构纵向与横向构件设计的主控工况。

半潜船的典型半潜作业过程是：首先，注入压载水使半潜船下潜到一定吃水深度，举升甲板被水淹没，将待装载的货物移至船舶举升甲板上方；然后，逐步将压载水排出，使半潜船慢慢起浮，装载的货物被慢慢托起；最后，当装载的货物完全露出水面后，便可将货物进行系固。

半潜船半潜工况要求在限制水域或限制海况下，采用泵排载或压缩空气排载下潜和上浮作业。当下潜到最大潜深时，船体外板承受舷外水压力，船内液舱承受液舱压力。若为压缩空气排载，液舱所受压力需在舱深产生的压力基础上叠加压缩空气压力。若为泵排载，液舱需考虑到空气管顶的深舱压力。由于下潜和上浮对海况要求较高，浮托货物出水面时，货物对于甲板的压力通常近似于只有重力，无需考虑货物运动产生额外的加速度。半潜工况通常用于校核液舱深舱构件以及不同配载时的强框局部强度。半潜工况作业时，通常不会对液舱装载顺序或装载有额外限制，仅需保证稳性及弯矩剪力满足包络线即可，计算时需考虑任意装载工况或根据管系的设计排载原理设计。

码头作业工况通常包含尾部上货和横向上货两种计算工况。码头常用作业方式是滚装式，需要设跳板或滑轨，货物靠滚装上船，若从尾部上货，则会产生较大的中拱弯矩。由于码头上货对上货精度要求较高，因此对天气和海况要求都较高。对于尾部上货工况，甲板载荷根据不同的货物而不同，甲板承受线载荷或面载荷。由于环境条件较好，载荷通常无需放大（仅需取适当余量即可）。尾部上货工况对于尾部结构的要求较高，通常作为尾部结构的设计工况之一。

2 主流船级社对于半潜船计算的要求

半潜船作为近些年兴起的较新船型，其结构设计的相关规范尚不完善，目前除中国船级社（CCS）规范和挪威船级社（DNV）规范中有半潜船这一章节外，其他船级社规范只能参考一般干货船规范［2］。

2.1 船级社对于波浪载荷计算的要求

半潜船由于其特殊的作业方式，型深通常受限（受制于码头水深和浮托时水深限制）；同时，为追求载货能力，宽度一般较宽。L/B和B/D均不满足规范尺度比要求，波浪载荷需进行直接计算预报。

2.1.1 CCS对于波浪载荷直接计算的要求

CCS《钢质海船入级规范》对于波浪载荷直接计算的要求如下：

（1）计算软件应基于三维线性或非线性波浪理论，并得到船级社认可；

（2）波浪载荷的预报采用基于北大西洋海洋环境的IACS Rec.34波浪统计资料；

（3）所取的波浪频率不少于20个，浪向角不少于7个，计算航速取0 m/s；

（4）计算采用的波浪谱及能量扩散函数取2（强度计算）；

（5）取10-8概率水平的长期预报结果作为计算结果（P-M波浪谱）。

2.1.2 DNV对于波浪载荷直接计算的要求

DNV规范对于波浪载荷直接计算的要求如下：

（1）对于强度计算，通常需采用非线性算法计算波浪载荷，但也可以通过线性计算后考虑非线性修正得到。

（2）当采用基于北大西洋海洋环境的IACS Rec.34波浪统计资料计算波浪载荷时，对于航行海船过于保守，得到的波浪载荷可以乘以缩减系数。对于半潜船，DNV接受基于全球海况的波浪载荷直接预报。

（3）波浪载荷计算需考虑航速。对于CSR船，考虑5 kn航速。对于非CSR船，若船长＞150 m时，考虑5 kn航速；若船长＜100 m时，不考虑航速；若船长在100～150 m时，则由插值确定。

（4）计算采用的波浪谱及能量扩散函数取2（由强度计算获得）。

图2 某10万t半潜船湿表面

图3 某8万t半潜船湿表面

2.2 船级社对于半潜船直接计算的要求

2.2.1 CCS对于半潜船直接计算的要求

CCS《钢质海船入级规范》对于半潜船计算工况的要求［3］为：

（1）应对整个船长范围内的典型横向结构进行横向强度校核。

（2）横向强度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 半潜船的自重（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 相应于③ 规定的吃水，且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，N/m2；剪切许用应力为95/K，N/mm2；任何点合成应力的许用应力取为180/K，N/mm2（K为材料系数）。

2.2.2 DNV对于半潜船直接计算的要求

DNV规范对于半潜船直接计算要求［4］为：

（1）直接计算分析

载货区需进行局部舱段有限元分析，舱段计算需考虑总纵弯矩、剪力和扭矩等。船体梁载荷需要调整到模型指定位置的许用值。剪力的许用值通常设在中舱的前后舱壁位置，弯矩的调整值通常设在三舱的舱中位置，扭矩的调整值设在中舱的前（或后）舱壁处。

（2）计算工况

计算工况需具体问题具体分析，需包含最苛刻的静工况、“静+动”工况以及事故进水工况：① 装载手册中的许用局部载荷或均布载荷；② 考虑液舱载荷和极端甲板载荷组合的航行工况；

③ 包括半潜作业工况（波浪载荷减小）；

④ 排压载水工况（舱室满载+最大压缩空气压力）。

（3）许用应力

对于静工况（尾部上货工况），合成应力的许用应力为0.85×235/K；对于航行工况和作业工况，合成应力的许用应力为235/K（K为材料系数）。

2.3 规范分析

CCS和DNV的规范对于波浪载荷计算的要求基本上类似，但DNV要求波浪载荷直接预报需考虑航速，并且接受基于全球波浪散布图的波浪载荷直接预报。根据现有大型半潜船计算结果，采用北大西洋波浪散布图直接计算波浪弯矩，所得值比规范要求大30%～40%。实际上，半潜船有其独特的航行特点，即半潜船通常按特定航线航行，航行时间相对确定，通常会制定较为保守的航行策略，故采用北大西洋无限航区预报波浪载荷相对保守（通常采用全球海况预报已足够保守）。虽然半潜船每次运货时，都会根据航线进行波浪载荷和船体运动直接预报，但船的许用静水弯矩/剪力不允许进行调整。船舶设计阶段波浪载荷减小可适当增大许用静水弯矩剪力，使半潜船具有更强的装载能力。

对于半潜船的直接计算，CCS规范不要求进行舱段有限元计算，仅要求对横向强度进行计算，且考虑载荷较模糊，无法覆盖所有装载，衡准也仅对横向强度有要求。横向强度计算时无需调整总纵弯矩和剪力，仅校核横向构件，故无法对承受巨大甲板载荷时的纵向构件（特别是纵舱壁和外板）进行评价。

DNV规范要求组合极端工况，舱段计算时需叠加总纵弯矩剪力。不过，虽然规定总纵弯矩剪力的叠加需根据工况组合确定，但对于半潜船具体工况该如何组合却无明确要求。需要特别注意的是，DNV规范将尾部上货工况归为静载荷工况，CCS则无此要求，设计时需特别注意。由于DNV规范中要求的组合工况相对更全面，因此以DNV规范计算舱段时，横向构件的许用值也较CCS高。

对于大型半潜船，甲板载荷设计和工况设计至关重要，且与船舶使用息息相关，而CCS和DNV规范对于甲板载荷的设计和选取却无明确说明。随着半潜船尺度增大，运输的结构物尺度越来越大，因此很有必要对半潜船甲板载荷和工况设计进行深入研究。

3 大型半潜船甲板载荷设计与分析

对于中小型半潜船来说，甲板载荷通常由船东指定，一般为15～25 t/m2的面载荷［5］，这个载荷通常为静载荷。大型半潜船甲板载荷不仅包含面载荷，还包括点载荷和线载荷。不同的载荷通常根据不同载货需求来确定，新型超大型半潜船还需根据现有设计的结构物推测未来货物的尺度和质量信息，并用来设计甲板载荷。甲板载荷设计流程见图4。

图4 甲板载荷计算流程

以某8万吨级半潜船运输6万吨级浮式生产平台（FPS）为例，运输FPS时的运动特性和加速度值（20年一遇波浪直接预报值）如表1所示，甲板均布载荷计算参见图5。

表1 运输FPS时运动特性和加速度值（20年一遇波浪直接预报值）

图5 甲板均布载荷计算

根据以上计算结果，在船舯处（船舯至距船舯20 m的范围内）甲板载荷为40 t/m2，在舷侧处（距船舯20 m至外板）甲板载荷为80 t/m2；综合考虑其他的典型货物和实际装载货物的不确定性，最终确定船舯处甲板载荷为45 t/m2，舷侧处甲板载荷为90 t/m2。线载荷和点载荷的计算上述流程类似。

4 设计工况

根据第2节描述的半潜船的作业特点，舱段计算需至少计算航行工况、半潜工况和码头作业工况（尾部和侧向上货）［6］。半潜船舱段有限元载荷设计需考虑半潜船的装载能力，且要考虑第3节中工况计算时运动特性。

半潜船通常要求结构设计不得对液舱装载提出限制，因此计算时不仅要考虑货物装载的最不利工况，还要叠加考虑不均匀装载和非对称装载的情况，设计工况需组合出最不利工况进行校核。工况设计时，需对船的后续使用全面认识，即半潜船将来用于运输的货物的尺寸、大小等，从源头上考量设计工况。

舱段计算至少应计算船的尾部、中部和首部（某些特殊船型，如4岛式半潜船，首部也作为载货区）。不同的舱段，工况设计大致相同，但由于所处位置不同，工况设计时考虑的因素不尽相同。对于中部舱段：

（1）舱段计算时，压载水量和甲板载荷总量无需超过船的载重量；

（2）甲板载荷严重不均匀的工况通常是因横浪工况和斜浪工况而产生。由于波浪既可能产生正向倾覆力矩，也可能产生负向倾覆力矩，因此不均匀装载产生的扭矩不得超出船本身回复力矩和横浪引起的波浪扭矩的差值。大型半潜船回复力臂曲线和回复力矩曲线如下页图6和图7所示。

图6 大型半潜船回复力臂曲线

图7 大型半潜船回复力矩曲线

宽扁型船通常回复力矩较大，但因大型半潜船较宽扁，抵抗扭转的能力较常规型深船差，故超出回复力矩时，扭转产生的剪力通常也较大。图8为某大型4岛式半潜船承受扭转时剪应力分布。

图8 扭转（圣维南扭转）引起的剪力分布

扭转引起的剪应力最大值分别位于甲板、舷侧和底板，在1×106kN·m扭矩作用下分别达到了11.9 MPa、17.1 MPa和21.1 MPa。

根据图7可知，本船回复力矩（扭矩）为5.32×106kN·m，由回复力矩在甲板、舷侧和底板产生的剪切力达到了63.3 MPa、91 MPa和112 MPa。此时若考虑此工况为迎浪工况，叠加静水剪力（垂向）和波浪剪力（垂向）后，垂向剪应力将远超许用剪应力（159 MPa）。由于这极不合理，故不作考虑，因此最大扭矩工况定义为横浪工况或斜浪工况。

（3）迎浪工况时，甲板载荷和液舱载荷的组合通常无需考虑产生严重扭转的载荷分布。

（4）对于液舱载荷，可参照油船的液舱装载相关规范进行配置。

（5）各工况考虑的船体梁载荷可参照DNV规范的要求叠加，即不同浪向考虑不同的船体梁载荷叠加系数。

本文以某4岛式8万吨级半潜船船舯舱段典型装载工况为例，介绍工况设计的原则。舱段工况设计既要考虑甲板载荷，又要考虑舱内载荷，其中大部分为对称装载工况。典型工况如图9和图10所示。

图1 大型半潜船运输SPAR平台

图9 航行工况典型计算工况

图10 半潜工况典型计算工况

舱段计算的航行工况，对于典型工况（1、3、4、 5、6），甲板载荷基本对称，非对称载荷未产生较大的扭矩，计算工况适用于迎浪或随浪工况。虽然对于非横倾工况，甲板边缘载荷不会达到90 t/m2，但设计时考虑余量，仍可以将边缘甲板载荷设为90 t/m2。

对于典型工况2为非对称装载工况（载重量为6.5万t），产生的横倾力矩如下：

对比以上数据与船整体回复力矩能力（见图7），满载工况本船最大回复能力为4.24×106kN·m，中间装载工况最大回复能力为5.32×106kN·m。

由此可知，目前设计的工况2未超出船的回复能力，结果可用来进行结构评估。但若不考虑左舷压载水，船的倾覆力矩便远远超出船本身的回复能力，船会发生倾覆，故结构设计无需考虑该设计工况。

当然，若按该工况设计，扭矩在舷侧外板引起的剪切应力达到了6.85×17.1=117 MPa，加上垂向剪力产生的剪应力，剪应力将远超结构设计能力。若按此目标设计，船舶的外板需加厚到相当厚的程度。这不仅过于保守，也是相当不合理且无必要，因此这种工况计算时需剔除。

此外，当工况设计的扭矩逼近船回复力矩时，由于不均匀载荷通常由横摇产生（除回复力矩外），且最大甲板载荷是由横摇角和横向加速度组合产生（见第34页第3节），船横倾后才会产生回复力矩，故计算时需将此工况定义为横倾工况，以避免保守设计。

对于半潜工况（典型作业工况），由于出水后海况较好，载荷通常较小，故仅需考虑最大潜深时，外板所承受的最大水压力，舱内承受液舱压力和压缩空气或泵排载压力，各液舱组合并叠加总纵弯矩和剪力，以校核各横向和纵向构件。

由于设计时码头作业工况对于尾部较为主控，通常中舱段计算无需考虑码头作业工况。

在舱段计算时，甲板载荷施加的面积越大，对结构的承载设计要求越高，对于船尾和船首舱段，显然不能考虑所有载重量均作用于尾部，施加的压载水量需考虑船舶纵倾的允许值，需请总体专业配合进行工况设计，以避免超出船舶能力的工况设计。同时，尾部计算工况需考虑尾部上货工况，尾部上货工况通常考虑较大的线载荷（对于大型半潜船，此值往往达到150～170 t/m），计算时需特别注意线载荷的布置应根据甲板货物布置而非根据半潜船强力甲板纵桁布置。