王衍鑫，于文太，梁学先，刘吉林

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

深海鱼因其营养全面且受污染少而越来越受到大众的喜爱。通过近十年的全球渔业经济数据,可以发现深海鱼养殖产业具有良好的市场经济效益。“深海渔场”这种现代化养殖装备及其养殖方式的优越性具有广阔的应用前景[1-3]。以我国首座SSFF150单桩半潜式深海渔场(fish farm)为例，其养殖水域水深大于45 m，有效养殖水体容积达1.5×105m3，在风暴情况下，渔场主体下潜至水面下，可抵御17级台风，适合在中国东海、南海海域进行大众鱼类、高附加值鱼类的离岸深远海养殖，经济效益可观、投资回报高。其主体结构分为压载区域、浮箱区域和上建三部分，外围包含步桥和铜网，整体直径约为141 m，渔箱型深12 m，配置天然防海生物铜网衣和水下监测系统，采用光伏供电。

虽然极具经济价值，但由于渔场需要的体积大，随之而来的制造、运输安装过程也非常具有挑战性。特别是运输过程，其面临的主要挑战如下：

(1) 渔场占地面积大，通常远远超过运输船舶的宽度。

(2) 渔场整个结构重量偏大，大约重量在几千吨到上万吨不等。

(3) 渔场本身结构相比其他海洋结构物并不强壮，由于为了增加养殖面积和体积，通常渔场结构由细长的杆件构成。

(4) 渔场需要运输到远海，周围基础设施差。

(5) 渔场可能在使用过程中需要迁移。

以上文提到的深海渔场为例，其结构重达9 331 t(包含绑扎固定钢材、木材、配重支架、锚链以及锚链垫板等重量)，宽度达到了141 m，而运输船舶只有40 m宽。装船后的效果如图1所示。

图1 大型深海渔场的运输

面对这样特点的大型海洋结构物，运输的可靠性直接关系到项目的经济性和安全性。本文探讨并总结了此类大型深海渔场的海上运输方案和运输分析方法。希望能给此类结构物的运输提供一定的借鉴。

1 运输方案的选择

通常大型海洋结构物的运输有如下两种方法：

干拖运输： 指将整个海洋结构物装在运输驳船上运至预定地点，整个海洋结构物均在水面以上。

湿拖运输： 指通过拖带的方式，直接利用拖轮将海洋结构物拖至预定地点。

大型深海渔场的特点是结构体积大，但是构件纤细。为了获得更大的养殖空间，通常都利用细长杆件将整个渔场的结构做大。随之带来的结构特点是： 体积过大；构件纤细；总体强度不足。如果采用湿拖运输，整个渔场的结构将经受巨大的强度考验，通常结构强度无法满足要求。所以面对这种大型深海渔场结构，干拖运输是最好的选择。

采用模块轴线车(self-propelled modular trailers，SPMT)装船运输，直接将其运输至大型驳船上，并通过合理的绑扎固定，使海上运输成为可能。运输过程中的安全性可通过对运输船的配载、稳性计算、运动分析计算以及强度校核来保证，确保被运输结构物在运输过程中复杂的载荷组合工况下不被破坏。海洋结构物运输时多采用海洋工程专业软件进行分析，得出结构物的位移、名义应力、冲剪应力等参数，以确保这些参数满足规范要求。

运输船舶以半潜式海洋石油船(载重量为52 789.4 t)为例，由舟山场地运输到马尾海峡现场，在运输过程中船舶受到风、波浪和海流的共同作用，将产生六个自由度的运动，即横摇、纵摇、首摇、升沉(起伏)、纵荡和横荡，在随机载荷作用下这种运动将是一种六自由度的耦合运动。此时船体上部的结构物将随驳船一起运动，运动时惯性力将会作用在大型深海渔场结构上，此时大型深海渔场结构必需承受住惯性力的作用，否则大型深海渔场局部结构在过载的工况下将遭到破坏。图2为运输示意图。

图2 运输示意图

2 运输方案的分析方法

半潜式深海渔场是由大量的梁、板组合而成的不规则的复杂结构。

利用通用有限元软件ANSYS进行了渔场运输载荷工况下结构强度分析，ANSYS软件中含有180多种单元，几乎能满足模拟所有工程的要求，并能对梁板结构进行很好的耦合，因此，利用ANSYS软件更能合理有效地对渔场结构进行运输载荷工况下结构强度分析。

考虑到ANSYS软件加载不能自动加载，因此把载荷分为3种基本的载荷工况：

(1) 只考虑结构物本身的自重产生的载荷(斜撑不作用)，沿坐标系Z轴方向(重力加速度为9 810 mm/s2)。

(2) 运输过程中由于船舶运动产生的惯性载荷(考虑斜撑作用)。

(3) 运输过程中由于船舶运动产生的整体弯矩(考虑斜撑作用)。

由于运动是一种耦合的运动，因此需要对它们进行工况组合，升沉、横摇和纵荡等进行最不利工况的组合(见表1)，根据组合的工况情况分别将这些载荷工况施加到有限元模型中，结构的屈服应力(σs)为355 MPa，许用应力(0.7σs)为248.5 MPa，由式(1)得出结构受力后的UC(unity check)值。渔场结构的实际应力采用von Mises应力，此应力为综合应力，如式(2)所示。

(1)

(2)

表1 渔场摇摆中心最大加速度(幅值)

3 半潜式深海渔场有限元模型

3.1 有限元模型特性

根据有限元基本理论选取合适单元建立了渔场有限元模型(见图3)，在建模过程中主要结构和固定结构采用四节点壳SHELL181单元，梁结构采用BEAM188单元，径向和环形桁架结构采用PIPE288单元，梁翼缘采用Link180单元,钢丝绳采用LINK10单元。在建立模型时，其组成构件分为主要构件和次要构件。

主要构件包括主要支撑结构、各层面上的板和软管通道板等，它们对整体结构起主要作用，影响整体变形和整体应力场的分布，在进行结构强度分析时都必须按照真实形状和空间位置进行模拟。此外，由于一些梁板组合结构在载荷分布时板也能分担一部分载荷，且利用ANSYS软件分析时，BEAM188单元和SHELL181单元能很好地耦合，不需要建立约束方程，建模非常方便。

次要构件只是起局部作用，如设备及其框架、节点处加强板、吊耳板等，它们不影响结构的整体强度、变形，而且有限元在计算中认为焊接连接处的强度是足够的，故在强度计算中对这些构件做适当的取舍，减少计算量，也是偏于安全角度考虑的，它们只是提供重量，以质点的形式加到相应的坐标位置上。

图3 渔场有限元模型

图4 运输整体有限元模型(包含驳船、垫墩)

3.2 模型坐标系选择

为了便于描述各构件在船体和整个结构中的位置、各计算工况下结构的变形和应力分布情况以及约束和加载条件，建立有限元模型前应首先选取模型的总体坐标系。在稳性、运动分析中得出结构物的摇摆中心位置，以此选摇摆中心作为渔场浮体结构底部中心点位原点，便于施加角加速度等载荷，X正方向沿船宽方向且指向右舷，Y正方向指向船首，Z正方向从渔场浮体结构底部中心点垂直向上。

3.3 模型约束条件

根据实际情况，在所建模型施加约束。船尾方向节点横摇、纵摇、首摇、纵荡、横荡、垂荡采用全约束，船首方向节点横摇、垂荡、横摇和首摇约束，其他释放。由于运输结构物自重使得驳船甲板上部下垂，施加运输过程中最大垂向力矩。

3.4 分析结果

半潜驳海洋石油278船甲板材料屈服强度为235 MPa,其他材料屈服强度为355 MPa。

根据海洋平台结构物的相关标准、规范，许用应力选用屈服极限的0.7。对本文涉及的组合情况，由于动态载荷、加速度以及最大垂向力矩用于整体效应，因此允许许用水平增加1.33倍，钢材的许用强度等效应力为屈服强度的0.93倍(0.7×1.33)，根据规范，有限元结果如表2所示[4-5]。

图7 驳船端面处理(甲板一半隐藏、一半显示)

图8 驳船模型约束

图9 绑扎固定组合工况von Mises应力分布图(MPa)

图10 渔场组合工况von Mises应力分布图(MPa)

图12 驳船组合工况von Mises应力分布图(MPa)

表2 组合工况下最大单元应力值

4 结 语

本文通过研究大型深海渔场的运输方法和运输分析，研究探讨了大型深海渔场这样的大型海洋结构物的运输方法和分析方法，希望能给此类结构物的运输提供一定的借鉴。通过研究和分析，有如下结论：

(1) 大型深海渔场的结构特点是体积大、结构纤细、总体强度偏弱，适合于干拖的运输方案。

(2) 在大型深海渔场的运输过程中，需要详细地分析渔场在运输过程中由于驳船运动引起的加速度，对大型深海渔场自身强度的影响。

(3) 以本文的算例为例，大型深海渔场在运输过程中，由于惯性力引起的结构应力非常高，本文中的算例渔场本身的局部应力达到了300MPa。

(4) 在运输的计算分析中，需要考虑结构物运输过程中可能产生的最大垂向力矩，更贴切模拟实际运输工况，以确保结果的准确性。