地質(zhì)調(diào)查船月池結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度評估及優(yōu)化

馮 維，余洋喆，李 輝

(1. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海 201108；2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

地質(zhì)調(diào)查船是專門從事海洋地質(zhì)調(diào)查的船舶，是海洋科學(xué)調(diào)查與研究的基礎(chǔ)平臺。該類船通常裝備有精密的探測儀器和定位系統(tǒng)，并且配備專業(yè)調(diào)查的設(shè)備。同時，為了方便收放設(shè)備，會在船中布置一種垂向貫穿船體，與海水直接相連的月池結(jié)構(gòu)。由于月池結(jié)構(gòu)的存在，船體沿船長方向產(chǎn)生了不連續(xù)性，使得船體在月池區(qū)域處將出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。此外，由于月池區(qū)域布置有較多的設(shè)備，月池結(jié)構(gòu)還會受到周圍設(shè)備產(chǎn)生的局部載荷。因此，有必要對月池區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析和校核。

目前，國內(nèi)外對帶有月池結(jié)構(gòu)的各類船舶開展了多方面的研究。文獻(xiàn)[1]采用譜分析的方法對深水多功能水下工程船月池角隅的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了校核；文獻(xiàn)[2]就不同結(jié)構(gòu)形式以及尺寸的月池對FDPSO水動力性能的影響進(jìn)行計(jì)算研究；文獻(xiàn)[3]基于三維勢流理論和波浪誘導(dǎo)載荷理論，分析了不同的月池尺寸、月池縱向位置以及船體吃水時附加質(zhì)量和附加阻尼的變化趨勢，進(jìn)行了含月池開孔的FPSO波浪誘導(dǎo)載荷的長期預(yù)報(bào)。本文基于三維勢流理論,利用設(shè)計(jì)波法計(jì)算了帶有月池結(jié)構(gòu)的地質(zhì)調(diào)查船的波浪載荷，參考中國船級社《散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》（2003）（下文簡稱《指南》）[4]對月池結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評估，對不滿足許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)給出了優(yōu)化方案。

1 波浪載荷計(jì)算原理

1.1 波浪載荷和船體運(yùn)動預(yù)報(bào)基本理論

船舶在其工作過程中所受到的載荷主要有重力載荷、環(huán)境載荷、作業(yè)載荷和偶然性載荷。環(huán)境載荷包括波浪載荷、風(fēng)載荷和流載荷。正確計(jì)算波浪載荷是船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安全評估的基礎(chǔ)。

研究船舶在波浪上的運(yùn)動和載荷時，假定船舶所處的海洋環(huán)境滿足勢流理論假設(shè)，即流體是不可壓縮的，不考慮粘性的影響，并且流動是無旋的[5]。本文利用基于三維勢流理論的Compass-Walcs軟件進(jìn)行船舶運(yùn)動與波浪載荷的預(yù)報(bào)。

速度勢在整個流場內(nèi)需滿足拉普拉斯方程：

且應(yīng)滿足相應(yīng)的定解條件：

規(guī)則波中浮體運(yùn)動微分方程可整理為：

波浪載荷預(yù)報(bào)應(yīng)首先求出波浪誘導(dǎo)船體運(yùn)動和載荷的傳遞函數(shù)，然后通過船舶航行海區(qū)的海浪譜計(jì)算出船體波浪運(yùn)動和載荷的響應(yīng)譜，最后用波浪統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法得出船體波浪運(yùn)動和載荷的統(tǒng)計(jì)值。

短期海況可視為均值為0的平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過程。此時船體對波浪的響應(yīng)可看作是線性時不變系統(tǒng)。由隨機(jī)過程理論可知，在海浪的作用下（輸入），其響應(yīng)—波浪載荷（輸出）亦將是均值為0的平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過程。輸入與輸出之間關(guān)系可以通過以下公式給出

假定控制載荷的響應(yīng)為瑞利分布，則其分布可表示如下：

控制載荷的響應(yīng)的最大值可表示為

1.2 設(shè)計(jì)波系統(tǒng)

設(shè)計(jì)波法要解決的關(guān)鍵問題是確定設(shè)計(jì)波的各要素（波幅、頻率、浪向等），使其計(jì)算出來的船體應(yīng)力水平能夠代表船體航行中對應(yīng)一定超越概率水平的應(yīng)力水平。考慮到月池部位可能受到的最大載荷，本文選用水平剪力、水平扭矩、垂向彎矩和橫搖作為主控載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)波計(jì)算。首先計(jì)算目標(biāo)船在波浪中的幅頻響應(yīng)，然后根據(jù)計(jì)算工況中的浪向及海況參數(shù) ,對以上4個控制載荷進(jìn)行短期預(yù)報(bào)。由此，可確定設(shè)計(jì)波的各個要素。

設(shè)計(jì)波的波幅可由下式進(jìn)行計(jì)算：

等效設(shè)計(jì)波的相位應(yīng)取在使所考慮的控制載荷參數(shù)在余弦波作用下達(dá)到最大的相位或位置。

2 全船有限元模型結(jié)構(gòu)化處理

2.1 全船結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)指南要求建立全船有限元模型，采用左手坐標(biāo)系，原點(diǎn)O位于FR0尾垂線處，x軸向船首為正，y軸向右舷為正，z軸垂直向上為正。采用板單元模擬甲板、外殼板、外底板、縱桁、甲板橫梁、橫艙壁、面板、橫隔板等構(gòu)件中的板殼結(jié)構(gòu)，以及各種構(gòu)件之間的連接肘板。采用梁單元模擬各種構(gòu)件上的尺寸較大且連續(xù)的縱骨、加強(qiáng)筋、扶強(qiáng)材等，并按照實(shí)際情況考慮梁的截面和偏心。有限元模型中的網(wǎng)格尺寸縱向以肋骨間距為基準(zhǔn)，橫向以縱骨間距為基準(zhǔn)。對于月池結(jié)構(gòu)，為準(zhǔn)確表示月池井架等構(gòu)件，采用細(xì)網(wǎng)格尺寸（50 mm*50 mm）進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模。地質(zhì)調(diào)查船總體有限元模型及部分結(jié)構(gòu)模型如圖1～圖3所示。

圖1 全船有限元模型示意圖Fig. 1 Finite element model of the target ship

圖2 帶有消波孔月池結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖Fig. 2 Finite element model of moon pool structure

圖3 月池上井架支座有限元模型示意圖Fig. 3 Finite element model of derrick substructure

2.2 有限元模型重量分布調(diào)整

為保證船體的質(zhì)量模型與船舶實(shí)際情況嚴(yán)格一致，需將未模型化的上層建筑、舾裝及設(shè)備的重量，通過一定的質(zhì)量模型予以計(jì)入。根據(jù)船舶重量重心的資料，在有限元模型的相關(guān)位置布置質(zhì)量點(diǎn)，以此方法調(diào)節(jié)模型的重量重心分布。

2.3 邊界條件

在對模型進(jìn)行靜力平衡調(diào)整后，整個船體不施加任何約束，采用慣性釋放原理進(jìn)行分析。

3 計(jì)算載荷

3.1 計(jì)算工況

針對本船的工作狀態(tài)（4級海況）和暴風(fēng)狀態(tài)（7級海況），同時考慮在2種海況下所受到的環(huán)境載荷，可將計(jì)算工況分為8種，如表1所示。

3.2 計(jì)算載荷

本船在各工況下所受到的載荷主要包括波浪載荷和工作載荷，工作載荷包括月池蓋處的載荷，井架支腳處的支反力等。

1）波浪載荷

采用三維線性波浪載荷程序Compass-Walcs進(jìn)行波浪載荷計(jì)算，按照上文所述的設(shè)計(jì)波方法進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)，目標(biāo)船的水動力計(jì)算網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 水動力網(wǎng)格示意圖Fig. 4 Panel model of the target ship

2）工作載荷

月池上方布置有井架及月池蓋支撐臺，相應(yīng)的支反力如表2所示。通過建立參考點(diǎn)的方式以集中力形式加載，如圖5所示。

4 月池結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估

4.1 許用應(yīng)力

該屈服強(qiáng)度評估根據(jù)《指南》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，對船體結(jié)構(gòu)按構(gòu)件類型分類評估。校核部分均采用AH36鋼，其材料換算系數(shù)K為0.72。參考《指南》規(guī)定，許用應(yīng)力如表3所示。

表2 工作載荷Tab. 2 Working load

圖5 工作載荷施加示意圖Fig. 5 Working load applied in moon pool structure

表3 許用應(yīng)力值Tab. 3 Stress criterion

4.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

針對前述的8種工況，利用MSC/NATRAN進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，可得到每種工況下的船體總強(qiáng)度應(yīng)力響應(yīng),典型結(jié)構(gòu)部位的最大應(yīng)力值及其與許用應(yīng)力的比較如表4和表5所示。

4.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及評估結(jié)果

從上述計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，甲板橫梁和隔板的強(qiáng)度在2種海況下均不滿足規(guī)范要求；在7級海況下，井架支腳的強(qiáng)度不符合規(guī)范要求。因此，將甲板橫梁，月池壁，隔板厚度增加，并將井架支腳進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后再次評估。圖6為優(yōu)化后的井架支座示意圖。

表4 四級海況下月池結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab. 4 Stress results of moon pool structure under 4th sea state

表5 七級海況下月池結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab. 5 Stress results of moon pool structure under7th sea state

圖6 優(yōu)化后井架支座示意圖Fig. 6 Optimized finite model of derrick substructure

由上述計(jì)算結(jié)果可知：

1）在4級海況下，井架支座，支座下甲板板，甲板橫梁，月池壁和隔板均符合屈服強(qiáng)度要求且未超過許用應(yīng)力的60%，說明增加板厚及優(yōu)化井架支座結(jié)構(gòu)的效果較好。

2）在7級海況下，井架支座，支座下甲板板，甲板橫梁，月池壁和隔板均符合屈服強(qiáng)度要求。

表6 優(yōu)化后4級海況下月池結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab. 6 Stress results of moon pool structure under 4th sea state after optimization

表7 優(yōu)化后7級海況下月池結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab. 7 Stress results of moon pool structure under 7th sea state after optimization

5 結(jié) 語

本文采用直接計(jì)算法詳細(xì)地校核了地質(zhì)調(diào)查船的月池結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度，并對不滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。基于上述計(jì)算過程和方法探究，得出結(jié)論如下：

1）本文所采用的基于三維勢流理論的設(shè)計(jì)波方法所預(yù)報(bào)的帶有月池結(jié)構(gòu)的地質(zhì)調(diào)查船的波浪載荷較為合理可信；

2）基于直接計(jì)算法對月池結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，經(jīng)優(yōu)化后的月池結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度符合強(qiáng)度規(guī)范要求；

3）規(guī)范中并未對類似船型的月池結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核提供具體方法，本文的校核方法可行，可為類似船型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。