深海漁場船載運輸分析的方法探討

王衍鑫，于文太，梁學先，劉吉林

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

深海魚因其營養全面且受污染少而越來越受到大眾的喜愛。通過近十年的全球漁業經濟數據,可以發現深海魚養殖產業具有良好的市場經濟效益。“深海漁場”這種現代化養殖裝備及其養殖方式的優越性具有廣闊的應用前景[1-3]。以我國首座SSFF150單樁半潛式深海漁場(fish farm)為例，其養殖水域水深大于45 m，有效養殖水體容積達1.5×105m3，在風暴情況下，漁場主體下潛至水面下，可抵御17級臺風，適合在中國東海、南海海域進行大眾魚類、高附加值魚類的離岸深遠海養殖，經濟效益可觀、投資回報高。其主體結構分為壓載區域、浮箱區域和上建三部分，外圍包含步橋和銅網，整體直徑約為141 m，漁箱型深12 m，配置天然防海生物銅網衣和水下監測系統，采用光伏供電。

雖然極具經濟價值，但由于漁場需要的體積大，隨之而來的制造、運輸安裝過程也非常具有挑戰性。特別是運輸過程，其面臨的主要挑戰如下：

(1) 漁場占地面積大，通常遠遠超過運輸船舶的寬度。

(2) 漁場整個結構重量偏大，大約重量在幾千噸到上萬噸不等。

(3) 漁場本身結構相比其他海洋結構物并不強壯，由于為了增加養殖面積和體積，通常漁場結構由細長的桿件構成。

(4) 漁場需要運輸到遠海，周圍基礎設施差。

(5) 漁場可能在使用過程中需要遷移。

以上文提到的深海漁場為例，其結構重達9 331 t(包含綁扎固定鋼材、木材、配重支架、錨鏈以及錨鏈墊板等重量)，寬度達到了141 m，而運輸船舶只有40 m寬。裝船后的效果如圖1所示。

圖1 大型深海漁場的運輸

面對這樣特點的大型海洋結構物，運輸的可靠性直接關系到項目的經濟性和安全性。本文探討并總結了此類大型深海漁場的海上運輸方案和運輸分析方法。希望能給此類結構物的運輸提供一定的借鑒。

1 運輸方案的選擇

通常大型海洋結構物的運輸有如下兩種方法：

干拖運輸： 指將整個海洋結構物裝在運輸駁船上運至預定地點，整個海洋結構物均在水面以上。

濕拖運輸： 指通過拖帶的方式，直接利用拖輪將海洋結構物拖至預定地點。

大型深海漁場的特點是結構體積大，但是構件纖細。為了獲得更大的養殖空間，通常都利用細長桿件將整個漁場的結構做大。隨之帶來的結構特點是： 體積過大；構件纖細；總體強度不足。如果采用濕拖運輸，整個漁場的結構將經受巨大的強度考驗，通常結構強度無法滿足要求。所以面對這種大型深海漁場結構，干拖運輸是最好的選擇。

采用模塊軸線車(self-propelled modular trailers，SPMT)裝船運輸，直接將其運輸至大型駁船上，并通過合理的綁扎固定，使海上運輸成為可能。運輸過程中的安全性可通過對運輸船的配載、穩性計算、運動分析計算以及強度校核來保證，確保被運輸結構物在運輸過程中復雜的載荷組合工況下不被破壞。海洋結構物運輸時多采用海洋工程專業軟件進行分析，得出結構物的位移、名義應力、沖剪應力等參數，以確保這些參數滿足規范要求。

運輸船舶以半潛式海洋石油船(載重量為52 789.4 t)為例，由舟山場地運輸到馬尾海峽現場，在運輸過程中船舶受到風、波浪和海流的共同作用，將產生六個自由度的運動，即橫搖、縱搖、首搖、升沉(起伏)、縱蕩和橫蕩，在隨機載荷作用下這種運動將是一種六自由度的耦合運動。此時船體上部的結構物將隨駁船一起運動，運動時慣性力將會作用在大型深海漁場結構上，此時大型深海漁場結構必需承受住慣性力的作用，否則大型深海漁場局部結構在過載的工況下將遭到破壞。圖2為運輸示意圖。

圖2 運輸示意圖

2 運輸方案的分析方法

半潛式深海漁場是由大量的梁、板組合而成的不規則的復雜結構。

利用通用有限元軟件ANSYS進行了漁場運輸載荷工況下結構強度分析，ANSYS軟件中含有180多種單元，幾乎能滿足模擬所有工程的要求，并能對梁板結構進行很好的耦合，因此，利用ANSYS軟件更能合理有效地對漁場結構進行運輸載荷工況下結構強度分析。

考慮到ANSYS軟件加載不能自動加載，因此把載荷分為3種基本的載荷工況：

(1) 只考慮結構物本身的自重產生的載荷(斜撐不作用)，沿坐標系Z軸方向(重力加速度為9 810 mm/s2)。

(2) 運輸過程中由于船舶運動產生的慣性載荷(考慮斜撐作用)。

(3) 運輸過程中由于船舶運動產生的整體彎矩(考慮斜撐作用)。

由于運動是一種耦合的運動，因此需要對它們進行工況組合，升沉、橫搖和縱蕩等進行最不利工況的組合(見表1)，根據組合的工況情況分別將這些載荷工況施加到有限元模型中，結構的屈服應力(σs)為355 MPa，許用應力(0.7σs)為248.5 MPa，由式(1)得出結構受力后的UC(unity check)值。漁場結構的實際應力采用von Mises應力，此應力為綜合應力，如式(2)所示。

(1)

(2)

表1 漁場搖擺中心最大加速度(幅值)

3 半潛式深海漁場有限元模型

3.1 有限元模型特性

根據有限元基本理論選取合適單元建立了漁場有限元模型(見圖3)，在建模過程中主要結構和固定結構采用四節點殼SHELL181單元，梁結構采用BEAM188單元，徑向和環形桁架結構采用PIPE288單元，梁翼緣采用Link180單元,鋼絲繩采用LINK10單元。在建立模型時，其組成構件分為主要構件和次要構件。

主要構件包括主要支撐結構、各層面上的板和軟管通道板等，它們對整體結構起主要作用，影響整體變形和整體應力場的分布，在進行結構強度分析時都必須按照真實形狀和空間位置進行模擬。此外，由于一些梁板組合結構在載荷分布時板也能分擔一部分載荷，且利用ANSYS軟件分析時，BEAM188單元和SHELL181單元能很好地耦合，不需要建立約束方程，建模非常方便。

次要構件只是起局部作用，如設備及其框架、節點處加強板、吊耳板等，它們不影響結構的整體強度、變形，而且有限元在計算中認為焊接連接處的強度是足夠的，故在強度計算中對這些構件做適當的取舍，減少計算量，也是偏于安全角度考慮的，它們只是提供重量，以質點的形式加到相應的坐標位置上。

圖3 漁場有限元模型

圖4 運輸整體有限元模型(包含駁船、墊墩)

3.2 模型坐標系選擇

為了便于描述各構件在船體和整個結構中的位置、各計算工況下結構的變形和應力分布情況以及約束和加載條件，建立有限元模型前應首先選取模型的總體坐標系。在穩性、運動分析中得出結構物的搖擺中心位置，以此選搖擺中心作為漁場浮體結構底部中心點位原點，便于施加角加速度等載荷，X正方向沿船寬方向且指向右舷，Y正方向指向船首，Z正方向從漁場浮體結構底部中心點垂直向上。

3.3 模型約束條件

根據實際情況，在所建模型施加約束。船尾方向節點橫搖、縱搖、首搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩采用全約束，船首方向節點橫搖、垂蕩、橫搖和首搖約束，其他釋放。由于運輸結構物自重使得駁船甲板上部下垂，施加運輸過程中最大垂向力矩。

3.4 分析結果

半潛駁海洋石油278船甲板材料屈服強度為235 MPa,其他材料屈服強度為355 MPa。

根據海洋平臺結構物的相關標準、規范，許用應力選用屈服極限的0.7。對本文涉及的組合情況，由于動態載荷、加速度以及最大垂向力矩用于整體效應，因此允許許用水平增加1.33倍，鋼材的許用強度等效應力為屈服強度的0.93倍(0.7×1.33)，根據規范，有限元結果如表2所示[4-5]。

圖7 駁船端面處理(甲板一半隱藏、一半顯示)

圖8 駁船模型約束

圖9 綁扎固定組合工況von Mises應力分布圖(MPa)

圖10 漁場組合工況von Mises應力分布圖(MPa)

圖12 駁船組合工況von Mises應力分布圖(MPa)

表2 組合工況下最大單元應力值

4 結 語

本文通過研究大型深海漁場的運輸方法和運輸分析，研究探討了大型深海漁場這樣的大型海洋結構物的運輸方法和分析方法，希望能給此類結構物的運輸提供一定的借鑒。通過研究和分析，有如下結論：

(1) 大型深海漁場的結構特點是體積大、結構纖細、總體強度偏弱，適合于干拖的運輸方案。

(2) 在大型深海漁場的運輸過程中，需要詳細地分析漁場在運輸過程中由于駁船運動引起的加速度，對大型深海漁場自身強度的影響。

(3) 以本文的算例為例，大型深海漁場在運輸過程中，由于慣性力引起的結構應力非常高，本文中的算例漁場本身的局部應力達到了300MPa。

(4) 在運輸的計算分析中，需要考慮結構物運輸過程中可能產生的最大垂向力矩，更貼切模擬實際運輸工況，以確保結果的準確性。