半潜式游艇运输船结构设计及强度分析方法

2021-10-25吴迪韩永兴吴坤

船海工程 2021年5期

吴迪，韩永兴，吴坤

(中集来福士海洋工程有限公司，山东烟台 264670)

游艇和相关产业在我国有着十分广阔的发展前景。绝大多数游艇并不适合长途的远洋航行，通常是将游艇通过船运的方式提前送到目的，专门的游艇运输船日益受到重视。2007年，烟台来佛士船业有限公司为荷兰DOCKWISE(DYT)公司建造了世界第一艘半潜式游艇专用运输船“游艇特快”号，总长209.34 m，下潜最大吃水22 m，总载重量12 500 t，专用于豪华游艇的跨洋运输。已经建成的半潜式游艇运输船数量少，完备的母型船资料少，此类船型结构设计有不少问题需要探讨。为此，结合某半潜式游艇运输船的船体设计特点进行分析讨论。

1 总布置及主尺度

所述半潜式游艇运输船采用单一货舱敞口设计，货物甲板高度(距离基线，下同)5.9 m，距离满载航行时水线面很近，由于所运载的游艇属于高价值的货品，该船设计了舷侧结构和尾门结构来保护货物甲板上的游艇在运输过程中不受风浪侵蚀和损害。该船干舷甲板高度13.5 m，艉门在航行过程保持水密关闭状态。最大半潜深度为13.5 m，半潜操作应在限定海况下进行，具体参考船级符号中的描述性部分。该船没有设置大型起重设备，在半潜状态下，游艇可依靠自身动力或通过牵引的方式从艉部进入运输船(此时艉门打开)，然后运输船上浮，艉门关闭，固定游艇后开启航程。其主尺度及总布置如下。

总长：213.7 m；设计吃水：4.6 m；

垂线间长：204.6 m；结构吃水：5.2 m；

最大型宽：46 m；方形系数：0.664；

型深(货物甲板)：5.9 m；最大下潜深度：13.5 m；

型深(主甲板/干舷甲板)：13.5 m。

该船入级英国劳氏船级社，船级符号为：LR❋100A1 Strengthened for Heavy Cargoes, Hatch Covers omitted in Hold, ShipRight ACS(B),*IWS, LI,❋LMC, UMS, PSMR, CCS, NAV1, with the descriptive notes “Semi-Submersible to a maximum draught of 13.5m with a significant wave height of no more than 1.25m, ShipRight(BWMP(T), IHM-EU, SCM)

2 船体结构

与常规的半潜船的作业特点[1]类似，半潜式游艇运输船要做到能潜能浮。浮力和重力的平衡是设计重点。通常船体结构的重量占空船重量的比例很高，对于本船来说，结构重量占比接近80%。因此，准确估算船体结构重量并在整个设计过程中进行跟踪和控制是非常必要的。

由于游艇是通过横向(沿船宽方向)的拉索固定，拉索另一端固定在船体内壳，为避免船体结构变形过大导致的拉索过载和对游艇的破坏，船体结构变形尤其是横向的变形也是结构设计的重要因素。结构设计阶段可根据全船有限元得到的绝对变形结果来推算出相对变形。

图1 游艇运输船总布置示意

2.1 中横剖面

船体中横剖面的确定是结构设计能满足船舶总纵强度和确保游艇运输船功能实施的基础。中横剖面上构件的布置既要考虑到结构功能的合理性，又要使其结构形式最简单，施工最方便，还要满足船体强度和刚度的要求。因此，中横剖面设计应综合考虑载荷(设计静水弯矩、波浪弯矩和局部载荷)、骨架形式、骨材形式选取和骨材间距、材料选择等因素。

该船货舱区采用纵骨架式，每四档设置横向强框。考虑到底部是双层底结构，船体梁的中和轴更靠近底部，设计的船底板厚14 mm(AH36)相对比较小，因此纵骨间距取为600 mm(相对于同尺度的货船来说偏小)，这对船底板的屈曲承载能力有好处。17.6 m高度的强力甲板由于宽度比较窄，采用箱式结构以更好地满足总纵强度的要求。由于需要经常进行安装拆卸绑扎件等操作，货物甲板将反复承受焊接和气刨，甲板额外增加了厚度。货物甲板下方1.95 m处设置一层非水密的操作平台，方便检修人员在该平台对货物甲板的下表面进行检修、补漆等操作。货物甲板下方右侧靠近中心线处设置一条通道，可以从艉部机舱通行至艏部机械处所，通道的高度不仅能满足人员行走和电缆布置等需求，还可通行小型叉车。典型的中横剖面见图2。

图2 典型中横剖面

2.2 货物甲板的设计载荷

该船主要运载货物是游艇，同时兼具常规甲板运输船的功能，货物甲板的结构设计时除了要考虑下潜时的水压头，还应考虑每一种局部载荷并按照船级社规范相关要求进行计算。

1)均布载荷：20 t/m2。

2)线载荷(船中和距中10.8 m的纵舱壁处):40 t/m。

3)车辆载荷，例如叉车、小汽车和货车等，典型的车辆载荷见图3。

图3 货物甲板上典型车辆载荷示意

3 波浪载荷预报

3.1 计算参数

该船为了装载游艇的需要，船宽比较宽，船长/船宽<5，船宽/型深>2.5，采用直接计算的方法预报波浪载荷[2]。该船设计为无限航区，选取北大西洋波浪散布图进行长期预报[3]，波浪谱选用P-M谱。超越概率取为10-8，该数值大致对应于20年一遇波浪的设计值。浪向在0° ～180°之间，步长30°，共7个浪向，其中0°为迎浪方向。计算采用劳氏船级社的软件PRETTI，选取装载手册中3种典型装载情况进行预报。

1)LC01，压载出港，对应最大的静水弯矩。

2)LC03，满载出港，对应最大吃水。

3)LC17，单侧装载800 t货物出港，对应最大静水转矩。

水动力计算模型见图4，模型中构建虚拟的甲板用以消除数值计算中的奇异频率问题。

图4 游艇运输船水动力模型

3.2 计算结果

通过线性波浪理论得到的波浪弯矩和波浪剪力应按规范要求进行非线性修正，根据船级社的要求[4]，设计波浪弯矩和剪力的最大值不能小于规范值。结果见表1。该船波浪预报得到的中拱弯矩小于规范值，中垂弯矩的绝对值大于规范值。波浪预报得到的垂向剪力的绝对值均大于规范值。

表1 波浪载荷预报值与规范值对比

4 全船有限元分析

4.1 设计波法

该船是敞口结构并且只有一个货舱，不是常规船型也没有相关的有限元计算指南。考虑整船的扭转需要用全船有限元来进行强度分析。由于没有疲劳分析的船级符号，有限元分析需要进行粗网格的应力、屈曲和局部结构网格细化分析三个部分。根据该游艇运输船的特点，为了得到船体结构最大应力，对于3.1节中提到的每一种典型的装载将提供三种(迎浪、斜浪和横浪)由不同浪向组合成的典型工况来进行计算。

1)迎浪工况，静水弯矩和波浪弯矩(中拱+中垂)沿着船长方向都达到设计值和预报值，浪向角为0°。

2)斜浪工况，0.4L(在船长方向与FR0的距离，下同)处波浪扭矩最大，浪向角120°。1个波浪周期分为20个步长，每1步计算1个工况。

3)横浪工况，横摇角最大，浪向角90°。把1个波浪周期分为20个步长，每1步计算1个工况。

4)横浪工况，水线面位置最大动压力，有3种设计波。

①0.25L处水线面位置最大动压力，浪向角90°。把1个波浪周期分为60个步长，每1步计算1个工况。

②0.5L处水线面位置最大动压力，浪向角90°。把1个波浪周期分为60个步长，每1步计算1个工况。

③0.75L处水线面位置最大动压力，浪向角90°。把1个波浪周期分为60个步长，每1步计算1个工况。

可以看出，对应于3.1节中3种典型装载情况，计算有限元工况总数量为306个工况。

4.2 全船有限元模型及边界条件

全船有限元粗网格模型见图5，模型中采用了板单元和梁单元，网格尺寸按照纵骨间距和肋距进行划分。需要说明的是该模型是用来评估货舱区(FR102朝前)的结构强度，其距离艉门超过60 m，航行时处于关闭状态的艉门对货舱区船体结构的影响可以忽略，因此模型中尾门结构没有建模。空船质量通过在实际结构上添加质量点来模拟钢料、舾装和小设备的质量。大设备包括艉门采用质量单元来模拟，质量单元通过虚拟结构和实际结构进行连接。静水压力按计算工况的吃水，作用在船体外部湿表面。预报得到的波浪载荷通过作用于船体外部湿表面的压力来实现。预报得到的惯性力以惯性加速度的方式，作用在整个模型上。

图5 全船有限元模型

边界条件采用惯性释放的方法，该方法的应用前提是惯性释放之前整个系统应达到近似的平衡状态，其整体不平衡力应满足：在迎浪状态下，不超过对应排水量的1%；横浪及斜浪状态，不超过对应排水量的2%。

4.3 全船有限元分析结果

该船的全船有限元分析的工况较多，典型的应力和变形见图6、7，对于计算得到应力较大的位置，是由于网格不规则或是应力集中所产生，需要做进一步的分析。

图6 合成应力结果-水线面处最大动压力工况

图7 变形结果-斜浪工况

对于全船有限元的分析结果，经过汇总所有的计算工况后发现，货舱区的船体板屈曲强度不满足规范要求的情况较多，可以看出2.1节中提到的较小的骨材间距对本船的结构强度有益。

下面给出典型的不满足规范的位置和所采取的结构加强方式。

1)船底板屈曲强度不满足规范要求，见图8(加强之前的计算结果，图中高亮部分为不满足的规范的区域，下同)。加强方式：加大船底板厚度。

图8 船底板屈曲结果

2)烟囱外板(位于主船体舷顶列板上方)屈曲强度不满足规范要求，见图9。加强方式：加大板厚并增加防止屈曲的加强筋。

图9 烟囱外板屈曲结果

3)强力甲板17.6 m和主甲板13.5 m的舱口间甲板屈曲强度不满足规范要求，见图10和图11。加强方式：加大板厚并增加防止屈曲的加强筋。

图10 17.6 m强力甲板屈曲结果

图11 13.5 m主甲板的屈曲结果

4.4 局部结构处的细化分析

对于本船来说，局部应力集中问题同样需要关注，例如舱口角隅(由于单一货舱及敞口结构所导致的扭转状态下的应力集中)，强力甲板/纵舱壁和外板上的大开孔等位置。采用局部细化模型进行结构详细分析，根据船级社的要求[5]，细化网格尺寸设定为50 mm×50 mm，采用子模型的方法。典型的局部结构细化模型和相应计算结果见图12、13及表2。