陶尼斯,张勇,郭兴乾,杨亚男,李成君

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

深海采矿船是一种典型的高难度、高技术、高附加值船舶。全球首艘深海采矿船是由新加坡Sea Tech公司设计、福建省船舶工业集团有限公司下属的福建马尾船厂建造，完成交付后由加拿大鹦鹉螺矿业公司租用并部署到其在巴布亚新几内亚专属经济区的工程中。目前，国外发达国家已基本具备了深海采矿的技术能力，而我国在采矿船方面的研究工作起步较晚，尚未完全掌握深海采矿的核心技术，针对船型方面的研究更是处于空白[1]。本文以深海采矿船船型开发课题为背景,主要从中剖面设计、舱段有限元分析，关键设备加强强度分析三方面对深海采矿船结构设计流程进行阐述，通过解决项目中遇到的问题，为深海采矿船结构设计提供技术储备。

目标采矿船机舱、艏推进器舱、艏侧推舱、生活楼及直升机平台布置在艏部区域；主甲板中、艉部为采矿作业区域：重型吊机、外输设备、塔架、A字架、矿浆处理模块等重型机械设备及作业模块布置于该区域；货舱布置在船体舯部区域；目标采矿船舯部设有10 m×10 m从主甲板到船底垂向贯穿式月池结构，总体布置示意见图1。

图1 目标采矿船总体布置示意

1 舯剖面设计

采矿船结构设计难点在于船体结构设计载荷远超过常规船舶。甲板除了承受大面积面载荷外，还要承受重型机械设备的功能性载荷及大范围分布的随机性载荷，使得船体结构设计问题十分严峻。

舯剖面设计是船舶结构设计的关键环节，合理设定舯剖面结构对于提高结构强度和船体性能来说至关重要。构件的布置既要满足承受和传递载荷的要求，又要考虑结构形式简单实用，工艺性好，以最小结构重量满足结构强度的需要。目标采矿船舯剖面的结构材料分布范围：主甲板：甲板板、纵骨及主要构件均采用H36的高强度钢；外板：舷顶列板和船底板及其范围内的纵骨采用H36的高强度钢；舷侧外板和骨材采用普通钢；纵壁：除纵壁上列板和最下列板及其范围内的纵骨采用H36的高强度钢外，其余均采用普通钢；双层底：内底板及纵骨采用H36的高强度钢；中间甲板：甲板板及纵骨均采用普通钢；舯剖面模数与惯性矩设计结果见表1。

表1 舯剖面模数与惯性矩设计结果

同时，本船采用三维直接设计技术进行了舯剖面特性的复核，针对采矿船特殊布置，应对船舯0.4L区域内所包含的货舱及月池舱两种典型舱段结构进行强度校核，分别建立以货舱和月池舱为目标舱的两个三舱段模型[2]。

1)No.1货舱+No.2货舱+月池，No.2货舱为目标舱。

2)No.2货舱+月池+No.3货舱，月池为目标舱。

采用三舱段模型计算可最大程度减小边界条件对中间目标舱的影响，货舱区典型剖面示意图见图2，月池区典型剖面示意图见图3，主甲板下舱室布置示意图见图4。

图2 货舱区典型剖面示意

图3 月池区典型剖面示意

图4 主甲板下舱室布置示意

鉴于采矿船在航行状态下装载和受力与矿砂船相似，采用CCS为矿砂船直接计算而设计的HCSR-TOOLS软件建模：以纵骨间距为单元间距；外板、甲板板、纵壁板、强框架及甲板主要构件腹板等均用板单元模拟；纵骨、扶强材和主要构件面板等用梁单元模拟；上层建筑、脱水模块、塔架、A字架等设备采用质量点的形式施加到指定位置。

模型坐标系采用右手笛卡尔坐标系：X方向为船长方向，船首方向为正，Y方向为船宽方向，左舷方向为正，Z方向为型深方向，由基线指向甲板。

鉴于采矿船特殊的作业职能，舱段有限元三维直接计算采用了以下假定。

1)采矿船货舱内设有推平装置，矿石在舱内堆积时非常均匀，因此，在计算货舱货物压力时，不考虑矿石的休止角。

2)由于采矿船设有脱水装置，矿石的含水率小于5%，且储存周期小于15 d，可不考虑散货液化效应。

3)由于货舱主甲板下设有推平装置和转运装置，导致各舱实际装载率很低，因此，在均匀满载工况下，各舱装载率不超过50%。

4)采矿船在作业时会有旁靠外输系统支持，所采矿石均是通过母船附近的散货船进行转运，因此,实际航行状态下货舱只能处于压载状态或者满载状态，不存在隔舱装载工况。

采矿船计算载荷可参考矿砂船，主要包括船体梁载荷、舷外水压力，波浪水动压力，舱内矿石货物载荷和压载水压力等[3]。根据采矿船装载手册的要求，航行状态下包含两种工况：正常压载工况(取正常压载吃水)和均匀满载工况(货舱装载率约50%，取满载吃水)。

边界条件的设定按照CCS《矿砂船船体结构强度直接计算指南》[4]中关于货舱区域直接强度分析中的非最首货舱模型端部边界条件的规定。模型及边界条件见图5、6。

图5 货舱段模型示意

图6 月池舱段模型示意

屈服强度的校核应按照CCS《矿砂船船体结构强度直接计算指南》[4]相关应力标准进行，对于组合载荷，屈曲利用因子应小于1。

从上述引用的典型载荷工况计算结果可知：

1)货舱横向强框架屈服结果见图7，相当应力最大值200 MPa；月池舱船底屈服结果见图8，相当应力最大值276 MPa。

图7 货舱横向强框架屈服结果

图8 月池舱船底屈服结果

2)主甲板月池舱舱口角隅附近出现应力集中，相当应力最大值293 MPa，见图9。

图9 主甲板月池舱均匀满载工况

3)双层底在靠近橫舱壁处应力值较高，相当应力最大值200 MPa，见图10。

图10 双层底月池舱均匀满载工况

4)月池区橫舱壁与纵舱壁，旁桁材相交处附近区域出现应力集中，相当应力最大值216 MPa，见图11。

图11 月池纵壁与横舱壁相交处

5)月池主甲板处最大屈曲利用因子为0.828，见图12；月池区舷顶列板和纵舱壁最大屈曲利用因子较大，分别为0.926和0.962，见图13、图14。

图12 月池主甲板最大屈曲利用因子

图13 月池纵舱壁最大屈曲利用因子

图14 月池舷侧外板最大屈曲利用因子

2 局部强度设计

采矿船典型区域的局部强度设计包含以下三部分内容：作业区域主甲板构件设计、作业区域月池结构设计、作业区域塔架支撑结构设计。

2.1 作业区域主甲板构件设计

采矿船作业区主甲板构件设计的难点在于货舱区主要构件下方设置推平装置占据了大量空间，为保障装载率需对桁材腹板高度进行优化设计。主要构件设计的首要任务是选取合理的甲板设计载荷。现行规范仅对工作处所，生活区及贮物区甲板设计载荷有明确规定[5-6]，作业区则很少提及。依托项目甲板上布置了采矿设备及附属电缆、辅助集装箱、作业模块等，在航行工况和在位工况(采矿船航行工况以外的设计工况)船体发生横摇和纵摇将导致载荷的增大，因此，甲板载荷设计应考虑为甲板静载荷与动载荷的组合。综上分析，本目标船甲板载荷设计依据主甲板实际承载重量，并考虑复杂作业环境因素所导致的载荷动力放大系数，同时借鉴国外相近尺度采矿船的设计经验最终确定甲板设计载荷为100 kPa。

采用三维直接设计技术选取主要构件时，首先要参照与之类似的甲板结构，并根据设计经验对构件规格做适当调整作为建模的初始输入。模型纵向范围为货舱段前后端壁，横向采用全宽模型，边界条件按简支处理，甲板板按照面载荷100 kPa来施加。从结果来看,相当应力最大值为184 MPa，满足规范强度要求[5]，主甲板应力云图见图15。

图15 主甲板应力云图

图16 梁系计算模型及加载

在腹板板厚和面板取值相同的前提下，后者腹板高度取值仅为梁系计算的一半，可见在主要构件优化设计方面，三维直接设计技术具有明显优势；梁系直接计算虽然方法简便，但构件尺寸取值偏于保守，容易造成结构重量增加且材料利用率不高。

2.2 作业区域月池附近结构设计

作为关键区域的月池结构，本文采用三维直接计算技术建立模型进行局部强度分析。模型纵向范围为前后舱壁各向外扩展一个强框间距，针对个别工况下载荷可能存在左右舷不对称情况，横向采用全宽模型(有限元模型见图7)，模型加载参照CCS《矿砂船船体结构强度直接计算指南》，主要包括内部载荷、外部载荷和船体梁载荷等。选取板单元相当应力UC值和主要构件最大屈曲利用因子较大的工况分析发现：

1)图9月池舱舱口角隅附近出现了应力集中，UC值达到0.958，对于应力集中区域，可考虑优化开孔区域形式和嵌入厚板的设计方式，并提高钢级，后续设计还应重点校核角隅处的疲劳强度[7-8]。

2)图10双层底在靠近橫舱壁处应力值较高，UC值达到0.909，从布置上横舱壁前后两侧分别为隔离空舱和货舱，从而导致舱壁两边压差较大，该区域的局部强度问题比较突出。主甲板和双层底最大应力均出现在均匀满载工况，因此，均匀满载工况在采矿船舱段屈服强度校核中为主控工况。

3)图11月池区橫舱壁与纵舱壁，旁桁材相交处截面突变导致应力集中，可考虑该区域局部板提高钢级并做加厚处理。另外货舱纵壁和内底板直角相交处应力值较高，由于采矿船货舱内设有推平装置，布置上无法实现类似矿砂船内底板倾斜式过渡，这是两型船在结构构造上的差异所导致的。此外纵舱壁与橫舱壁相交附近的屈曲问题也要重点关注，因该区域受到比较大的船体梁剪力[9]。

4)图13、14屈曲应力值比较高(最大屈曲利用因子比较大)的区域主要集中在月池区舷顶列板和纵舱壁板，因该区域在中垂状态下承受比较大的船体梁弯曲压应力[10]。

2.3 塔架支撑结构设计

作为关键设备的塔架，其加强设计不仅关系到目标船能否实现采矿功能，还关系到船舶营运的安全。

塔架局部强度分析采用三维直接设计技术，模型纵向范围根据基座腹板下加强位置向外再扩展一个强框范围，横向范围刚好截断在左右舷纵舱壁处，垂向上由主甲板向下延伸一层甲板。应力校核区域采用细网格，网格大小约为150 mm×150 mm，向外逐渐过渡到350 mm×350 mm。采用细网格建模的目的：①准确模拟塔架基座的形状；②计算结果能够反映实际结构真实的应力分布[11]。

塔架主要功能是支撑扬矿软管、扬矿硬管和水下中继站等，主要受力包括设备作业产生的功能性载荷、固定载荷、环境载荷等；其中固定载荷包括塔架自身的重量、辅助舾装件及电缆等附件的重量；环境载荷包含风载荷、船体运动载荷、冰雪载荷等[12]。所受载荷通过脚点处连接基座传递给主船体结构，脚点设计载荷一般由设备商提供，计算时通过模型顶端的MPC单元主节点上加载节点力和弯矩来实现，单元类型为RBE2。屈服强度校核衡准按照CCS《海上移动平台入级规范》来进行。

由于四个脚点位于主甲板月池开口角隅附近，根据舱段有限元分析结果可知：该区域为高载荷、高应力区域，结构设计上应重点关注屈服强度和疲劳强度及应力集中问题。鉴于塔架设计载荷在X、Y、Z3个方向上均受到较大的集中力和弯矩，因此，基座及甲板加强结构均采用H36的高强度钢并作加厚处理，以确保结构在各方向上都具有足够的强度和刚度储备。节点处理方面，基座肘板使用软趾形式减少应力集中程度，缓解疲劳强度问题。焊接强度方面，基座腹板与面板，基座腹板与甲板板为高应力区域，焊接形式采用全焊透。布置方面，塔架四个脚点均落在纵横舱壁交叉处，目的是让所受载荷能比较有效进行传递，使受力区域整体强度和刚度情况较为理想。典型工况相当应力分布见图17，从分析结果来看，各工况相当应力最大值为154 MPa，强度满足规范要求，基座结构应力分布均匀。由此可见，基于舱段有限元分析，对塔架支撑结构设计采取有针对性措施有效解决了屈服和应力集中问题，也尽可能避免了后期关键节点产生疲劳强度问题。

图17 典型工况相当应力分布云图

3 结论

1)采矿船在位工况具体分为布放工况、作业工况、转运工况及生存工况。这些都是典型的海工装置所具有的结构设计特征，采用三维直接计算设计技术确定主要构件规格是作为特殊船型开发的有效保障。

2)采矿船由于设有月池舱，导致舱段有限元模型有其自身的特点；舱段有限元模型分析技术虽然已经非常成熟，但就本目标船而言，重点在于依据舱段有限元分析结果，依次对特殊结构区域进行个性化定制设计。

3)三维直接设计分析技术不仅可以复核和优化结构设计，更重要的是针对深海采矿船，初始阶段就能通过分析结果对局部设计存在的问题进行预判，并采取针对性措施获得较为安全的设计方案，从而降低了结构设计风险。