某极地科考船月池系统结构设计探讨

朱成平 张柏梁 韩骥栋 程志

摘    要：本文简述了某极地科考船月池系统的总体布置，并对与月池内部系统（舱盖系统、滑车系统、动力操作系统、消波壁等）相关的船体结构设计进行探讨。

关键词：科考船；月池；舱盖；滑车系统；消波壁

中图分类号：U674.81                              文献标识码：A

Discussion on Structural Design of Moonpool System

of a Polar Scientific Research Ship

ZHU Chengping，  ZHANG Bailiang，  HAN Jidong，  CHENG Zhi

（ Guangdong GSI Marine Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，  Guangzhou 511457 ）

Abstract： The article briefly describes the design characteristics of moon pool system， and introduces the overall layout and structural design of the moonpool system of a polar scientific resanrch ship， and discusses the design of hull structure related to the internal system of moon pool， such as hatch cover system， pulley syetem， power operation system and wave wall.

Key words： scientific research ship;  moon pool;  hatch cover;  pulley syetem;  wave wall

1     前言

某极地科考船是一艘具有全球深远海探测与综合作业能力的科考船。该船带有大尺寸的月池系统，月池内设置底盖、顶盖、滑车系统、动力系统、消波系统等，设备多且集中。设备布放时，工作应力很大，设备与船体之间的连接处往往会出现应力集中，对船体结构影响非常大，对空船重量的控制非常不利。如何使月池系统设计满足结构及工艺方面的要求，对月池内部的加强结构进行优化，降低造船成本是非常重要的事情。

某极地科考船月池由主甲板通往船底，月池围井尺寸为6.4 m×7.6 m，净开口尺寸达4.8 m×6 m，设置有顶盖和底盖，内部设有消波壁和科考作业系统；大开口的存在对船体总纵强度造成损害，同时对船体的横向强度及刚度都有显著的影响；结构设计需要满足5级海况开启月池进行科考作业、应急回收的安全性。本文在保证船体安全、满足结构规范的情况下，通过有限元、3D建模、水池实验等手段对结构进行优化，使结构设计更加合理。

2    月池系统结构设计

本船按照CCS《钢质海船入级规范（2022）》进行设计，为极地PC4级，根据规范对PC4的要求，月池内所有结构（包括底盖、消波结构）都不需要考虑冰载荷的影响，但需考虑在极地作业时月池内部设备的防寒措施。在满足结构规范的基础上，通过模型匹配，完善结构设计，减少设计错漏；通过有限元手段建立月池模型，并通过厂家提供的设备受力情况对结构进行评估，在此基础上展开结构设计；通过模型水池实验对月池内部消波系统进行综合评估，找出消波性能最好的开孔方案。

2.1   舱盖加强结构

顶盖底盖通过铰链、液压缸、锁紧装置等多种受力附件与船体相连，同时在纵桁正肋位还有许多与船体连接的普通附件，因此船体的相应部分必须予以加强。该类附件的板很厚，众多附件需要与船体焊接，导致焊接热应力过高，由此引起的船体焊接变形，难以保证舱盖的安装精度。为此：

1）必须首先保证厂家来货精度，尤其是舱盖内圈的精度；舱盖与加强之间的对接焊缝要尽可能远离舱盖内圈，使焊接变形对舱盖的影响尽可能的小；减少加强结构的板厚或尺寸，进一步减少焊接对精度的影响；

2）加大厂家舱盖结构设计的范围，将部分加强结构由厂家设计安装，达到对接焊缝远离舱盖的效果；与厂家协调尽可能减少连接附件的规格和尺寸；通过有限元手段对现有加强方案进行验证，在此基础上进一步优化船体加强的板厚和尺寸。舱盖加强的设计改进，见图1所示。

3）通过有限元计算得出舱盖各附件加强结构在不同工况下的受力情况，根据计算结果，现有设计满足要求。

2.2   布放滑轨加强结构

布放滑轨采用工字梁，滑轨带有基座整体安装在月池舱壁上，其中左舷为ROV滑轨，右舷为CTD滑轨。左右滑轨都采用三段式平行双轨设计，其中底部和顶部采用固定式滑軌，中间采用活动式滑轨以避开顶盖活动范围；非工作状态下，活动滑轨与上端固定滑轨齐平置于设备布放舱内；当顶盖打开后，活动滑轨可以向下插入下端固定滑轨并与上端滑轨形成完整运行通道；下端固定滑轨及活动滑轨需承受海水的腐蚀，故都采用不锈钢材质。滑轨设计见图2所示。

左舷ROV滑轨固定在距中4 800舱壁上，该纵壁外侧为实验室无法向外扩大，由图2可以看出：上端固定滑轨占用空间+活动滑轨占用空间=下端固定滑轨占用空间，所以滑轨的实际最大高度由ROV上端固定滑轨决定。

1）滑轨高度确定：月池左右舱壁的宽度为7600 mm、净开口的宽度6 000 mm、底盖密封宽度100 mm、滑轨与底盖之间间隙40 mm、滑轨高度240 mm、滑车轮子占用空间145 mm，可以算出上端固定滑轨的最大允许高度为 275 mm；

2）ROV滑轨、CTD滑轨安装精度要求：焊后滑轨直线度偏差≤1/1 000，滑轨各自直线度偏差≤2 mm，两者平行度偏差≤1 mm，滑轨整体平面度偏差≤3/5 000；上端滑轨整体高度只有275 mm，扣除滑轨占用的高度，滑轨垫板的高度只能做到35 mm，这对结构需求来说是远远不够的；

3）左舷ROV滑轨直接落在纵壁上，结构上采取的以下办法：壁板骨材反向到实验室一侧，并限定骨材的高度不超出实验室木作的范围，以免影响实验室空间；加大35 mm板的宽度，加大滑轨所在区域带板的厚度；在滑轨反面增加T材支撑。ROV滑轨加强的结构设计，见图3所示。

4）右舷主甲板上端的CTD滑轨与布放舱右舷舱壁相距965 mm，中间需满足通道的要求，对应采取的办法：将滑轨设计为多跨梁的形式，在滑轨端部及中部布置多个支撑点；满足滑轨下端通道的最小要求，在不影响通道的边角区域增加软趾或肘板，以降低滑轨的有效跨距，从而增加滑轨的强度；滑轨上端非通道区域只在平台或平台中部对滑轨施加横向支撑，以控制钢材重量。CTD滑轨加强的结构设计，见图4所示。

5）通过有限元分析计算，得出滑轨加强结构在不同工况下的受力情况，根据计算结果，现有设计满足要求。

2.3   动力装置加强结构

月池内部设置的动力装置，包括起升绞车、CTD导向滑轮及ROV导向滑轮：导向滑轮坐落在甲板或舱壁上，加强结构相对简单；起升绞车安装在月池工作平台上，绞车有固定基座，通过螺栓与工作平台连接。

1）工作平台作为起升绞车的安装平台，需要具有足够的强度和刚度，解决办法是：用两道钢梁作为工作平台的主要支撑，钢梁固定两侧舱壁上，格栅铺设在钢梁上；绞车基座为工字截面的框架，具有相当大的强度，可以对平台钢梁提供水平支撑，增加平台的稳定性，从而减少非必要的结构构件。起升绞车平台结构设计，见图5所示。

2）通过有限元分析计算，得出滑轨加强结构在绞车工作时相连结构的受力情况，根据计算结果，现有设计满足要求。

2.4   消波结构

月池舱盖打开的情况下，月池围井内部海浪涌进，会有噪声、震动、拍击等不良影响。在月池内部四周设置孔状结构的消波结构，可以大幅度减少月池内部海浪的波浪能对月池舱壁的冲击；消波结构可以消减月池内部波浪能，但对于船体空船重量是额外的增加，如何在提升对消波效果的情况下减少钢材的用量，是设计需要考虑的问题。

1）消波壁宽度的确定：月池开孔位于月池的几何中心，月池舱壁离开孔边界之间的距离只有800 mm，底盖密封圈需要在净开口基础上额外占用100 mm宽度，所以底盖的最小设计宽度达到6200 mm，底盖两侧距月池舱壁的距离不会超过700 mm的净空间，考虑底盖打开所需空间并留有一定间隙以及消波壁内部的通行问题，设定消波壁的宽度为600 mm。

2）考虑消波结构轻量化：将消波壁采用平面开孔板结构，将消波壁与月池舱壁设计成双壳结构，加强筋设计成组合肋板形式；消波结构采用最小要求的板厚，加强肋板具有足够的强度，可以尽可能多的开设减轻孔以减少钢材用量。

3）舱盖对消波壁的影响：月池底盖与四周船体之间设有大量连接构件，比如液压缸、锁紧装置、铰链，这类构件有操作空间以及检修空间的要求，所以月池底部双层底范围所在区域都不能设置消波壁；同时，月池打开的状态下，顶盖、底盖打开后也能对所覆盖的月池舱壁进行良好的保护，所以该区域不需要做消波壁，同时在ROV、CTD运行滑轨所在范围也不设置消波壁。作为代替，在月池裸露区域，即无舱盖又无消波壁同时没有空间要求的区域，设置若干固定式消波板，消波板向下45°等距离安装在月池舱壁上。消波结构设计，见图6所示。

4）消波效果：通过研究表明，月池内流体除了在波浪或海流的扰动下以波浪频率或遭遇频率振荡外，还将诱发其活塞固有频率的振荡，导致月池内部自由液面高出外部。消波壁的作用就在于消减月池内部流体的动能，降低月池内部自由液面；本船采用消波壁+消波板组合的方案，消波壁上的开孔比例会对消波效果造成直接影响，本船采用缩尺比为1：35的月池模型进行实验，测量不同的开孔方案下月池模型相对自由液面高度（月池模型内外自由液面之间的高度差），通过不同方案之间测量值的对比，得出各方案的消波效果。实验结果表明，本船消波壁上的开孔面积为～25%左右时消波效果最佳。

3     结束语

本文通过对某极地科考船月池系統结构的阐述，表述了月池系统关键结构的设计要点及需要重点考虑的问题，同时结合设计中采用的结构优化方法，对月池结构设计提出指引，希望本文对后续该类带有月池的船舶的结构设计具有一定的参考作用。

参考文献

[1] 中国船级社.钢质海船入级规范[S]. 北京：人民交通出版社， 2022.

[2] 赵尚辉，刘见华.船底月池流激振荡特性研究[J].上海造船， 2010（1）.