半潛船船舶應力安全保障系統設計原理簡介

陳 莉、伍蓉暉、張 雷、何 珍、陳方紅

（中船黃埔文沖船廠有限責任公司，廣州510725）

1 概述

目前常規半潛船在下潛、浮船、貨物裝載操作過程中，因為穩性、船舶應力過高等潛在安全問題，操作人員需要結合船舶配載系統、貨物裝載計算、船舶實時姿態、船舶實時壓載狀態進行人為連續的壓載調整，以保證船舶潛浮操作安全。因為半潛船壓載系統的數據計算、人為判斷、操作調整、操作響應等都需要大量時間，為了保證半潛船船舶安全，常規半潛船的潛浮操作是以時間和效率換船舶安全，但是因為操作人員錯誤判斷和誤操作原因，半潛船在作業過程中依然會出現危險姿態，影響船舶安全。因此為了確保半潛船的安全作業，同時有效提高半潛船作業效率是半潛船船舶應力安全保障系統設計的方向。

2 半潛船船舶應力安全保障系統簡介

半潛船船舶應力安全保障系統通過船舶設計和建造數據構建船舶基礎應力截面，通過船舶潛浮過程、裝載過程中船舶不同分段的浮力變化和相應壓載水變化，以及具體貨物重量分布參數，對每個應力截面的剪切應力和彎曲應力進行實時合成，通過壓載水艙壓載水量調整來消除船體局部應力升高，同時也可以保證船舶穩性安全。

半潛船船舶應力安全保障系統的優點是：首先，系統通過電腦系統對船舶采樣截面的應力進行快速計算和優化提示，降低了船舶操作人員的工作強度，提高系統操作效率。其次，系統可以進行應力狀態預設，減少大型構件貨物裝載產生的船舶應力過高的風險，提高船舶工作安全性。再者，系統可以根據船舶極限重心高的限制優化船舶重心位置，適應一定等級的浪涌危險。

3 半潛船船舶應力安全保障系統設計

半潛船船舶應力安全保障系統主要目的是：（1）通過船舶設計建造數據、船舶浮態、船舶壓載狀態以及船舶裝載情況和裝載計劃，計算船舶采樣切面的剪切應力和彎曲應力，發現船體應力過高位置；（2）通過船舶壓載系統對船舶壓載水進行調控，對船舶的應力過高位置的應力進行消減，提高船體安全性；（3）通過船舶壓載水系統的調整，實現船舶應力預設或應力轉移，實現貨物裝載前后船體局部應力綜合優化，以及船舶穩性優化，提高船舶裝載安全性；（4）通過船舶優化模型，實現快速計算和優化操作指導，提高半潛船操作的效率，降低系統操作強度。

因此根據某半潛船具體船舶結構，采用合理簡單的方法對船體進行應力采用切面取樣，通過對相應采用截面的應力疊加計算，發現船舶取樣截面中異常應力截面，通過壓載水量的預設調整，實現船體應力安全，提高船舶的安全性是半潛船船舶應力安全保障系統設計的核心目標。

3.1 半潛船船舶船體應力截面與應力計算方案

基于具體船舶強度計算，對樣船進行縱向分割，設定應力采樣截面。

船體從設計建造開始進行船舶應力監測點切面劃分，根據具體船型進行應力切面劃分，原則上劃分切面為壓載水艙艙壁。整個船舶將縱向劃分為N個分段劃分，每個分段進行獨立受力計算，包括：船舶固有重量G1N、船舶壓載水艙/油水柜中液體重量G2N、船舶分段浮力F1N、貨物重量C1N（貨艙分段承擔重量），參見圖1。

船舶分段垂直方向綜合受力：FN=G1N+G2N+C1NF1N+F(N-1)

通過對應力監測采樣點的曲線柔化連接，則可以得到船體近似應力分布曲線，見圖2。

如果FN=0，則船舶分段對兩側分段應力作用為0，如果FN≠0，則該分段取樣切面應力為FN，分段應力作用對相鄰分段應力可以疊加傳遞。[1]

圖1 船舶分段應力示意圖

在應力計算過程中，每個分段綜合受力計算方程中的變量有：船舶壓載水艙/油水柜中液體重量G2N、船舶分段浮力F1N。主動調整變量為G2N，被動變量為F1N。因此通過主動變量的循環調整，被動變量的反饋修正，可以盡量降低船體應力，實際操作中，根據具體船舶的船體安全應力設計參數對船體操作進行安全應力范圍多級設定，系統保證船體應力處于較高安全等級狀態。

船舶空載應力建模：通過每個分段的設計和建造數據和空載浮態建立船舶空載應力曲線作為船舶應力參比計算基礎。

船舶形變校準模型：通過船舶首、舯、尾吃水傳感器測量數據和設計安裝數據，建立船舶空載形變模型，作為船舶初始形變參考曲線，以評估后期船舶形變安全。船體形變示意曲線見圖3。

圖2 船舶應力曲線示意圖

圖3 船舶總縱變形示意圖

船舶通過壓載水量的調整?？梢詫θ膽η€進行調整，船舶壓載水艙的重力曲線可以通過壓載水艙水位測量和艙容數據進行比對和建模。壓載水在船舶的實際分布狀態和預期分布，以及對船舶的受力影響可以通過分布縱向曲線進行觀測和預測，見圖4。

圖4 船舶壓載水重量分布示意圖

船舶通過以上曲線的嚙合、對沖和修復，最佳理想狀態是船舶整體采樣點應力為零，這是趨勢，實際上船舶采樣點的應力需要保證在船舶設計應力極限之內，但是這是安全最低需求，通過設定計算，應力采樣點將循環優化。

船舶應力動態調整：船體的應力狀態實際上與航行海域海況、船體構件尺寸、裝載量有關聯，因此關聯貨物、海況、浪級的船舶應力轉移方案將提高船舶應力動態安全與整體安全性。

船體疲勞檢測：船舶經過長期運行后，船體的鋼板、骨材的疲勞問題將會潛在影響船舶安全，通過新造船的船舶應力和船體形變曲線、運營期間基于時間的船舶應力和船體形變曲線，通過船體形變對比，可以設定船舶船體結構的疲勞預警點，提醒船體維修和維護工作。

3.2 船舶貨物裝載與船舶壓載方案

半潛船主要用于大型、非規則性貨物，貨物重心和重量分布不受控，每次貨物裝載的方案都需要進行計算論證，裝載方和船運方需要對各方面數據進行交換和對裝載方案進行溝通確認，但是半潛船的裝載方案同時受到船舶裝載過程中的實時船舶裝載狀態的變化影響，在裝載過程中船舶依然存在船舶穩性和船舶應力安全問題。

基于上述船舶截面應力分析結合船體彎曲應力分析，半潛船船舶應力安全保障系統通過負載曲線、船舶壓載曲線對船舶應力曲線疊加方案，可以實現船舶截面應力尋優，快速靈活的實現半潛船的船舶安全裝載。見圖5所示。

（1）船舶應力預測

針對半潛船裝載貨物特定形狀、重量分布等信息，半潛船船舶應力安全保障系統可以對貨物裝載前、貨物裝載后、船舶壓載系統調整后的船舶應力狀態進行預分析計算，避免船舶應力奇點，提供船舶貨物裝載前的預裝載船舶應力提前儲備，平衡裝載后的船體應力奇點，避免船舶在整個裝載過程中出現船體應力危險峰值，提高船舶應力安全和船舶穩性安全。

圖5 船貨應力疊加影響示意圖

（2）船舶連續壓載調整

傳統半潛船和其他類似商船的壓載水調整方案是操作人員依照配載系統計算結果，操作人員逐步對相應壓載水艙進行壓載水量調整，在船舶應力達到預期限定后進行下一步調整動作，以保證船舶的安全。

半潛船船舶應力安全保障系統可以針對半潛船船舶應力和穩性安全的連續計算，基于壓載水調整狀態和過程對船舶應力變化和船舶穩性提供趨勢預測和危險預判，系統可以提前對船舶壓載系統進行調整，實現船舶應力變化和穩性變化的動態控制和連續控制，大大減少半潛船潛浮操作時間。

4 結束語

目前半潛船的需求不斷增長，但是針對半潛船的特殊設計、配套控制系統設計與設計計算還存在不足，需要不斷完善和補充，對系統的合理設計將有助于有效實現系統設計目標，提高船舶操作安全性，同時降低系統的設計與施工成本，否則將會造成船舶效率浪費和運營成本提高，充分了解技術要求，恰如其分的使用設計條件進行計算和控制模型優化不但可以大大提高半潛船的使用性能，也可以降低半潛船的運營風險，做到船舶性能的全面提升，這些都有待于我們進一步的改進。