某1 000t打捞起重船坐底强度有限元分析

闫方超，郭 婷

（上海佳豪船海工程研究设计有限公司，上海 201600）

1 前言

风能作为一种新型的绿色能源，在全球能源结构中占据重要地位。我国有许多沿海潮间带滩涂区域,涨潮时被海水淹没,落潮后露滩,主要用于海水养殖和通航，其利用价值较低;但潮间带区域风能资源丰富，并且地势平坦,具备开发沿海风能的条件。基于潮间带滩涂区域水深较浅、淤泥质地基承载力弱,常规自升式风电安装船/平台无法进入该区域作业,其地形条件及水文特点给工程带来了很大的难度。在潮间带滩涂地区实施风电开发,需要研制专用的风电场工程船/平台。具有坐底能力的起重船由于其更广阔的安装作业范围和多用途功能，在市场需求上更为强劲。

近年来，随着世界各国将绿色能源转型定为未来经济发展的重点，导致在建以及待建的海上风电项目数量骤然增加，受其影响，具有风电安装能力的工程船需求大增，具有广阔的发展空间，而具有坐底能力的起重船由于其更加广阔的安装作业范围和功能，市场需求广阔的更加强劲。

风电安装船作为一种新型的海上工作船,有效的缓解了海上风机运输和安装困难的问题。为了满足风电市场需求，包括风电安装、运维等，可以通过改造半潜驳的方式建造风电安装工程船，不仅可以使船舶增加新的功能，提高船舶综合利用率，同时可大大减少建造周期和成本，使经济效益最大化。

目前国内船级社对于船舶坐底计算还没有完整的相关规范衡准。为了满足当前的规范要求，使该型船舶具有坐底作业功能，得到“★CSA Submersible Offshore wind Turbine”的船级符号，需要参照《海上移动平台入级规范》对本船结构坐底强度作直接计算及评估。

作为我国首艘浅水坐底打捞工程船的“德浮1200”，可在约2.9 m以上潮高时进入施工区域，可在恶劣海况下进行抢险打捞作业，填补了我国浅水打捞工程船的空白，显著提升特定环境下的抢险打捞能力。

本文基于“德浮1200”项目，对该船舶进行坐底强度计算，为该类型船舶的坐底强度计算提供参考。

2 坐底作业及假设条件

所谓坐底作业，系指该船到达预定作业海域后，主动下潜或者随退潮水深的降低而令船舶底部自然接触海底，在接触区达到船舶无异常移动而坐稳后，启动起重机进入吊装工作状态。

船舶坐底作业主要有两种工况：一是作业区域若有显著的涨退潮现象，在退潮期间自然水深可下降至0，船舶处于无水坐滩状态，称为干坐底工况；二是由于海区的海底地质条件为泥面浅层粉砂成分，在水流作用下极易产生物理迁移，导致海底与船底的接触条件发生改变。具体而言，当水流因船舶的存在产生绕射时，将带起海底泥沙的流动，产生船舶周界的掏空现象，减小了海底对船舶的支撑面积，导致船舶结构构件受力状态变化，严重时可导致船舶构件破坏甚至船体梁断裂，称为吃水坐底工况。

鉴于以上分析，本文对本船坐底作业强度计算作如下假设：

（1）作业区域海底平整，无坚硬的突出物（如岩石等）；

（2）坐底时船体不会陷入海底土层；

（3）坐底时海水冲刷海床接触面靠近船舷位置有掏空现象，导致船底附近泥沙掏空，掏空区域的面积不超过20%；

（4）海底掏空区域与非掏空区域的交界线为直线；

（5）坐底作业时船舶不发生滑移及海床不下沉，船体无原始纵、横倾，平坐在海底。

3 计算分析

3.1 船舶概况

本文计算对象为我司为烟台打捞局自行研发设计的1 000 t全回转浅水坐底打捞工程船。该船采用全焊接钢质船体，箱形驳船船型，具有一层连续举升甲板，并在四角设置塔楼；尾部左侧塔楼上，设置全回转起重机一台；本船可用于沿海及近海浅水水域作业，无限航区。

本船可在约2.9 m以上潮高时进入进入施工区域实现坐滩作业，包括：海上救助打捞作业；海上风机基座、塔筒、机舱以及叶片的吊装作业；打桩作业和桩基建设；海洋石油及水工工程作业。可在近海航区进行下潜/起浮作业的非自航工程船（见图1），其主尺度如下：

图1 打捞工程船

船长 L 106.0 m

型宽 B 42.0 m

型深 D 7.2 m

设计吃水 d 4.0 m

最大沉深 h 10.0 m

肋距 S 2.0 / 3.0 m

3.2 有限元模型

本文采用MSC-Patran/Nastran有限元软件进行建模分析：计算模型的甲板板、舱壁板、桁材腹板等，模拟为4节点或3节点板单元；普通横梁、纵骨、桁材面板以及撑杆等，模拟为2节点梁单元；单元尺度以肋距（500 mm）及纵骨间距（725 mm）为基本边长。有限元模型，如图2～4所示。

图2 整船有限元模型

图3 有限元模型板厚分布图（整船）

图4 有限元模型板厚分布图（主船体外壳板）

4 环境载荷

本船坐底工况主要分为：坐底起重工况（主起重机工作）；坐底非起重工况（主起重机不工作）；坐底自存工况。其中，坐底起重工况又分为：干坐底工况和10 m吃水坐底工况。

本文仅针对干坐底起重工况、10 m吃水坐底起重工况和坐底自存工况，进行船体结构强度分析计算。其中：干坐底起重工况为完全退潮后，吃水0 m；10 m吃水坐底起重工况为吃水10 m，超压水8 000 t；坐底自存工况为吃水10 m，超压水8 000 t。 根据本船作业手册，坐底作业时的环境条件如表1所列。

表1 典型作业工况环境条件

在船舶坐底强度计算中，充分考虑船舶自身及环境载荷对船体坐底作业带来的可能影响，包括船舶作业装载、风载荷、波浪载荷、流载荷、起重机作业载荷等。

4.1 装载工况载荷

不同的装载工况决定了不同的压载水布置，从而影响对应作业工况下的全船质量分布。图5为10 m吃水坐底起重工况的船舶装载示意图。坐底时为了满足抗滑移以及坐底稳性等原因，除去8 000 t超压压载水外，油水的重量达到24 000 t；其他工况不再赘述。

图5 10 m吃水坐底起重工况装载示意图

4.2 风载荷

干坐底起吊作业时，风力不大于17.1 m/s；10 m吃水坐底起重作业时，风力不大于17.1 m/s；坐底自存工况时，风力不大于51.5 m/s。

表2为各种计算角度下风载荷的数值。另外，在计算风载荷时，还需要考虑高度系数的影响，高度系数可参考相关规范。

表2 风载荷

4.3 海流载荷

根据船舶操作手册：10 m坐底起重作业时，最大波高不大于2.0 m；坐底自存工况时，最大波高不大于5.0 m。

根据CCS《海上移动平台入级规范》，海流载荷按下式计算：

式中：C—曳力系数；ρw——海水密度，t/m；V—设计海流流速，m/s；A—构件在与流速垂直平面上的投影面积，m。

表3 为海流载荷的计算结果。

表3 海流载荷

4.4 波浪载荷

船舶在波浪中的运动响应和波浪载荷响应计算，采用三维势流挠射/辐射软件HYDROSTAR ；坐底工况中的波浪载荷，选取斯托克斯5阶波浪理论，波浪载荷由HYDROSTAR软件计算并传导至有限元模型湿表面，以面载荷形式施加。

图8 为波浪载荷计算模型。

图6 波浪计算用的典型网格图

4.5 起重机载荷

本船在尾部左舷平台甲板布置一台固定全回转1000 t重型起重机。表4为加载的起重机载荷值，图7为起重机计算校核角度。

表4 起重机作业接口最大载荷

图7 起重机载荷计算角度

4.6 静水载荷及自重载荷

自重载荷包括本船自重（见表5）、对应不同计算工况的油水等装载重量，以及相关设备重量。

表5 本船空船重量信息

平台甲板堆货仅在坐底起重工况中放置于平台甲板上，平台甲板堆放的设备有塔筒、风机机舱、轮毂与叶片以及定位锚。其中，塔筒、风机机舱、轮毂与叶片通过质量点模拟施加，定位锚以甲板载荷施加，如图8所示。

图8 坐底作业时船舶主要设备的质量分布示意图

5 约束条件

根据中国船级社《海上移动平台入级规范》，受到水流冲刷的影响，坐底面积按最不利的情况损失率为20%计算。本船坐底强度分析中，船底掏空情况分为16种，如图9所示。

图9 船首部/尾部区域掏空计算工况示意图

根据船底掏空方式，有限元各计算工况边界条件设置在船底非掏空的坐底区域。为更加真实模拟海底接触情况，在坐底接触面的海床边界采用垂向线弹簧进行模拟，弹簧刚度k值按照以下方法计算：

式中：K—地基基床系数，kN/m；

A—线弹簧模型单位承载面积，m；

β—安全系数，取β=1.1～1.2，.

本船A=0.36 m，β=1.2，K=3.0×10kN/m，得出弹簧刚度k=12 960 N/mm。

在约束区域弹簧上端，采用约束节点x、y方向线位移（即 <0, 0, >，<-, -, ->）；对于弹簧下端，采用约束节点z方向线位移（即 <, , 0>，<-, -, ->）的约束条件。图10为船体底部45°区域掏空时，约束区域示意图：

图10 船体底座约束示意图（船尾45°区域掏空）

6 强度衡准

参考中国船级社《海上移动平台入级规范》中的相关规定，本船坐底强度有限元计算采用强度衡准值如下：

板单元许用应力：[σ] =σ/ S N/mm

式中：S——安全系数。对于板单元，S=1.43。

梁单元应力，限于篇幅暂不罗列，在实际项目计算中需要考核。

基于上述的载荷加载及约束条件，对全船进行强度计算分析。计算结果如表6所示，为典型的坐底计算应力云图如图11所示。

表6 坐底强度有限元计算应力结果（单位：N/mm2）

图11 典型主船体板单元相当应力分布示意图

7 总结

（3）坐底计算中，需要重点考虑船体横纵舱壁、纵行、船底板等区域的应力水平，尤其掏空约束附近（如图12所示）；

图12 干坐底起重工况板单元合成应力分布

本文对具有坐底功能的打捞工程船，按照《海上移动平台入级规范》要求进行坐底强度计算校核。经过多种工况计算及对计算结果进行分析，得出以下结论：

（1）本船3种坐底工况中，干坐底起重工况下结构应力水平相对较高，另外2种坐底工况（10 m吃水坐底起重工况、坐底自存工况）结构应力水平相对低；

（2）对于起重机舷侧的掏空工况需要重点关注，属于高应力计算工况；

（4）对于坐底掏空区域约束附近区域的加强，需要考虑掏空面积多角度的变化带来的加强区域的变化，加强区域要覆盖整个约束附近区域。

由于本次计算是在假设条件下进行的，实际作业环境更加复杂多变，所以船舶在进行坐底作业时需要考虑更多的作业环境条件对船舶坐底作业的影响：进场前需要深入考察作业水域环境条件，包括风浪流条件、作业工期内的环境条件变化；需要考察海底是否平整，如果海底不平整，还需要平整海底；同时，坐底强度计算假定掏空为20%的船底面积，实际上可能会出现船体坐底面积外沿掏空等其他形式的掏空，所以实船运作时应通过观察船舶浮态、倾斜角等方法做好船舶的监控工作，确保海底即使被掏空后也不会出现船舶坐落于海底悬崖边缘的现象，即掏空区允许一定的砂土流失，但绝不能发生海底砂土剧烈流失形成海底的悬崖式实质落差。

冲刷掏空情况主要是由于海流速度过大，横向掏空对稳性最为不利，应尽量避免船宽方向与海流方向一致；船体内的多余重量（如远超坐底稳定要求的压载水量），将导致处于海底掏空状态的船体承受增大的船体梁载荷，所以必须及时地调整船内压载水量。