陈 莉、伍蓉晖、张 雷、何 珍、陈方红

（中船黄埔文冲船厂有限责任公司，广州510725）

1 概述

目前常规半潜船在下潜、浮船、货物装载操作过程中，因为稳性、船舶应力过高等潜在安全问题，操作人员需要结合船舶配载系统、货物装载计算、船舶实时姿态、船舶实时压载状态进行人为连续的压载调整，以保证船舶潜浮操作安全。因为半潜船压载系统的数据计算、人为判断、操作调整、操作响应等都需要大量时间，为了保证半潜船船舶安全，常规半潜船的潜浮操作是以时间和效率换船舶安全，但是因为操作人员错误判断和误操作原因，半潜船在作业过程中依然会出现危险姿态，影响船舶安全。因此为了确保半潜船的安全作业，同时有效提高半潜船作业效率是半潜船船舶应力安全保障系统设计的方向。

2 半潜船船舶应力安全保障系统简介

半潜船船舶应力安全保障系统通过船舶设计和建造数据构建船舶基础应力截面，通过船舶潜浮过程、装载过程中船舶不同分段的浮力变化和相应压载水变化，以及具体货物重量分布参数，对每个应力截面的剪切应力和弯曲应力进行实时合成，通过压载水舱压载水量调整来消除船体局部应力升高，同时也可以保证船舶稳性安全。

半潜船船舶应力安全保障系统的优点是：首先，系统通过电脑系统对船舶采样截面的应力进行快速计算和优化提示，降低了船舶操作人员的工作强度，提高系统操作效率。其次，系统可以进行应力状态预设，减少大型构件货物装载产生的船舶应力过高的风险，提高船舶工作安全性。再者，系统可以根据船舶极限重心高的限制优化船舶重心位置，适应一定等级的浪涌危险。

3 半潜船船舶应力安全保障系统设计

半潜船船舶应力安全保障系统主要目的是：（1）通过船舶设计建造数据、船舶浮态、船舶压载状态以及船舶装载情况和装载计划，计算船舶采样切面的剪切应力和弯曲应力，发现船体应力过高位置；（2）通过船舶压载系统对船舶压载水进行调控，对船舶的应力过高位置的应力进行消减，提高船体安全性；（3）通过船舶压载水系统的调整，实现船舶应力预设或应力转移，实现货物装载前后船体局部应力综合优化，以及船舶稳性优化，提高船舶装载安全性；（4）通过船舶优化模型，实现快速计算和优化操作指导，提高半潜船操作的效率，降低系统操作强度。

因此根据某半潜船具体船舶结构，采用合理简单的方法对船体进行应力采用切面取样，通过对相应采用截面的应力叠加计算，发现船舶取样截面中异常应力截面，通过压载水量的预设调整，实现船体应力安全，提高船舶的安全性是半潜船船舶应力安全保障系统设计的核心目标。

3.1 半潜船船舶船体应力截面与应力计算方案

基于具体船舶强度计算，对样船进行纵向分割，设定应力采样截面。

船体从设计建造开始进行船舶应力监测点切面划分，根据具体船型进行应力切面划分，原则上划分切面为压载水舱舱壁。整个船舶将纵向划分为N个分段划分，每个分段进行独立受力计算，包括：船舶固有重量G1N、船舶压载水舱/油水柜中液体重量G2N、船舶分段浮力F1N、货物重量C1N（货舱分段承担重量），参见图1。

船舶分段垂直方向综合受力：FN=G1N+G2N+C1NF1N+F(N-1)

通过对应力监测采样点的曲线柔化连接，则可以得到船体近似应力分布曲线，见图2。

如果FN=0，则船舶分段对两侧分段应力作用为0，如果FN≠0，则该分段取样切面应力为FN，分段应力作用对相邻分段应力可以叠加传递。[1]

图1 船舶分段应力示意图

在应力计算过程中，每个分段综合受力计算方程中的变量有：船舶压载水舱/油水柜中液体重量G2N、船舶分段浮力F1N。主动调整变量为G2N，被动变量为F1N。因此通过主动变量的循环调整，被动变量的反馈修正，可以尽量降低船体应力，实际操作中，根据具体船舶的船体安全应力设计参数对船体操作进行安全应力范围多级设定，系统保证船体应力处于较高安全等级状态。

船舶空载应力建模：通过每个分段的设计和建造数据和空载浮态建立船舶空载应力曲线作为船舶应力参比计算基础。

船舶形变校准模型：通过船舶首、舯、尾吃水传感器测量数据和设计安装数据，建立船舶空载形变模型，作为船舶初始形变参考曲线，以评估后期船舶形变安全。船体形变示意曲线见图3。

图2 船舶应力曲线示意图

图3 船舶总纵变形示意图

船舶通过压载水量的调整。可以对全船的应力曲线进行调整，船舶压载水舱的重力曲线可以通过压载水舱水位测量和舱容数据进行比对和建模。压载水在船舶的实际分布状态和预期分布，以及对船舶的受力影响可以通过分布纵向曲线进行观测和预测，见图4。

图4 船舶压载水重量分布示意图

船舶通过以上曲线的啮合、对冲和修复，最佳理想状态是船舶整体采样点应力为零，这是趋势，实际上船舶采样点的应力需要保证在船舶设计应力极限之内，但是这是安全最低需求，通过设定计算，应力采样点将循环优化。

船舶应力动态调整：船体的应力状态实际上与航行海域海况、船体构件尺寸、装载量有关联，因此关联货物、海况、浪级的船舶应力转移方案将提高船舶应力动态安全与整体安全性。

船体疲劳检测：船舶经过长期运行后，船体的钢板、骨材的疲劳问题将会潜在影响船舶安全，通过新造船的船舶应力和船体形变曲线、运营期间基于时间的船舶应力和船体形变曲线，通过船体形变对比，可以设定船舶船体结构的疲劳预警点，提醒船体维修和维护工作。

3.2 船舶货物装载与船舶压载方案

半潜船主要用于大型、非规则性货物，货物重心和重量分布不受控，每次货物装载的方案都需要进行计算论证，装载方和船运方需要对各方面数据进行交换和对装载方案进行沟通确认，但是半潜船的装载方案同时受到船舶装载过程中的实时船舶装载状态的变化影响，在装载过程中船舶依然存在船舶稳性和船舶应力安全问题。

基于上述船舶截面应力分析结合船体弯曲应力分析，半潜船船舶应力安全保障系统通过负载曲线、船舶压载曲线对船舶应力曲线叠加方案，可以实现船舶截面应力寻优，快速灵活的实现半潜船的船舶安全装载。见图5所示。

（1）船舶应力预测

针对半潜船装载货物特定形状、重量分布等信息，半潜船船舶应力安全保障系统可以对货物装载前、货物装载后、船舶压载系统调整后的船舶应力状态进行预分析计算，避免船舶应力奇点，提供船舶货物装载前的预装载船舶应力提前储备，平衡装载后的船体应力奇点，避免船舶在整个装载过程中出现船体应力危险峰值，提高船舶应力安全和船舶稳性安全。

图5 船货应力叠加影响示意图

（2）船舶连续压载调整

传统半潜船和其他类似商船的压载水调整方案是操作人员依照配载系统计算结果，操作人员逐步对相应压载水舱进行压载水量调整，在船舶应力达到预期限定后进行下一步调整动作，以保证船舶的安全。

半潜船船舶应力安全保障系统可以针对半潜船船舶应力和稳性安全的连续计算，基于压载水调整状态和过程对船舶应力变化和船舶稳性提供趋势预测和危险预判，系统可以提前对船舶压载系统进行调整，实现船舶应力变化和稳性变化的动态控制和连续控制，大大减少半潜船潜浮操作时间。

4 结束语

目前半潜船的需求不断增长，但是针对半潜船的特殊设计、配套控制系统设计与设计计算还存在不足，需要不断完善和补充，对系统的合理设计将有助于有效实现系统设计目标，提高船舶操作安全性，同时降低系统的设计与施工成本，否则将会造成船舶效率浪费和运营成本提高，充分了解技术要求，恰如其分的使用设计条件进行计算和控制模型优化不但可以大大提高半潜船的使用性能，也可以降低半潜船的运营风险，做到船舶性能的全面提升，这些都有待于我们进一步的改进。