半潛船船體改造設(shè)計(jì)分析

郭志強(qiáng)

(舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，浙江 舟山 316131)

近年來，隨著人類生產(chǎn)活動(dòng)的需要，以及造船水平的提高和造船所用材料的改進(jìn)，船舶和海工產(chǎn)品呈現(xiàn)出大型化的趨勢(shì)。就目前的造船產(chǎn)能分布來看，大型化的船舶和海工產(chǎn)品主要集中在中國(guó)、韓國(guó)、新加坡和日本建造，而這些產(chǎn)品在建造完成后大多服務(wù)于墨西哥灣、巴西等世界主要石油產(chǎn)出區(qū)。這些大型化的船舶和海工產(chǎn)品從建造廠到它們最終的服務(wù)區(qū)域有相當(dāng)長(zhǎng)的距離，由于部分海工產(chǎn)品自身無動(dòng)力，并且考慮到運(yùn)輸途中的安全性和便利性，海工產(chǎn)品從建造廠到其最終服務(wù)區(qū)域基本上是采用半潛船干拖的方式裝載運(yùn)輸。

面對(duì)越來越大型化的海工產(chǎn)品，使用航運(yùn)市場(chǎng)上現(xiàn)有的半潛船裝載運(yùn)輸，無論是從半潛船的尺度上、還是半潛船的強(qiáng)度上都面臨著挑戰(zhàn)，但是如果為了某一種海工產(chǎn)品的運(yùn)輸而量身定做專門新造半潛船，這顯然是不夠經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)下流行的做法是在現(xiàn)有半潛船的基礎(chǔ)上加以臨時(shí)性的改造，以使半潛船滿足大型海工產(chǎn)品運(yùn)輸航次任務(wù)的需要，比如本文所提到的在現(xiàn)有半潛船舷側(cè)加裝浮體的方式，此舉對(duì)使用現(xiàn)有半潛船運(yùn)輸大件貨物(大型海工產(chǎn)品)具有重要意義。

現(xiàn)有半潛船的改造需要經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算和周密的考慮，以保證半潛船改造后的船體強(qiáng)度，本文以某半潛船運(yùn)輸大型海洋石油鉆井平臺(tái)為例，對(duì)半潛船船體改造設(shè)計(jì)進(jìn)行論證分析。

1 運(yùn)輸狀態(tài)

某半潛船執(zhí)行運(yùn)輸大型海洋石油鉆井平臺(tái)作業(yè)，其中半潛船總長(zhǎng)216.7 m，型寬43.0 m，主甲板型深13.0 m，設(shè)計(jì)吃水9.68 m，載貨甲板尺度177.6 m×43.0 m，載荷48 163 t；作為貨物的鉆井平臺(tái)總長(zhǎng)88.8 m，總寬59.0 m，總質(zhì)量22 698 t，將半潛船與鉆井平臺(tái)主要參數(shù)做對(duì)比，半潛船與鉆井平臺(tái)主要參數(shù)對(duì)比如表1所示，從表1明顯可見，鉆井平臺(tái)寬度超出半潛船船寬16.0 m。

表1 半潛船與鉆井平臺(tái)主要參數(shù)對(duì)比

半潛船運(yùn)輸鉆井平臺(tái)的裝載效果圖如圖1所示，鉆井平臺(tái)在寬度方向上兩舷側(cè)明顯超出半潛船船寬，鉆井平臺(tái)兩側(cè)缺少半潛船給予的有效支撐。

圖1 半潛船運(yùn)輸鉆井平臺(tái)的裝載效果圖

2 半潛船船體改造

針對(duì)此大型海洋石油鉆井平臺(tái)的裝載運(yùn)輸，為了解決貨物超寬問題，并保證運(yùn)輸時(shí)半潛船對(duì)海洋石油鉆井平臺(tái)有足夠的支撐，以及確保滿足船舶的穩(wěn)性衡準(zhǔn)，采取在半潛船舷側(cè)新安裝4個(gè)附加浮體的方式對(duì)半潛船船體進(jìn)行臨時(shí)性改造，4個(gè)浮體均為鋼材質(zhì)焊接安裝式浮體，附加浮體分為2組，每組左右舷對(duì)稱，安裝在半潛船船首1組，船尾1組，半潛船船體改造具體示意如圖2所示。

圖2 半潛船船體改造示意圖

其中，單個(gè)艉部浮體長(zhǎng)度24.0 m，寬度8 m，高度6 m，質(zhì)量140 t；單個(gè)艏部浮體長(zhǎng)度16.8 m，寬度8 m，高度6 m，質(zhì)量110 t。4個(gè)浮體均使用DH36級(jí)別高強(qiáng)度船用鋼材制造[1]，鋼材密度為7 850 kg/m3，DH36級(jí)別鋼材的屈服強(qiáng)度(σy)為355 MPa，安全系數(shù)取為0.8，故其許用應(yīng)力為284 MPa，浮體的參數(shù)如表2所示。

表2 浮體的參數(shù)

3 新加浮體及其周邊船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

因4個(gè)浮體結(jié)構(gòu)相似，取左前浮體為例進(jìn)行強(qiáng)度校核，強(qiáng)度校核采用有限元強(qiáng)度分析的方法進(jìn)行，在有限元強(qiáng)度分析過程中除另有說明外，各單位均使用國(guó)際單位制，即力的單位為N、長(zhǎng)度單位為m、力矩單位為N·m、應(yīng)力單位為MPa。有限元強(qiáng)度分析基本過程為先對(duì)浮體及其周邊船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模型建模，然后對(duì)建好的有限元模型施加約束(即邊界條件)，接下來是對(duì)有限元模型進(jìn)行載荷加載，包括外部載荷和自身載荷的加載，外部載荷即是鉆井平臺(tái)對(duì)其的壓應(yīng)力，自身載荷即為其自身質(zhì)量，最后是對(duì)施加好約束和載荷的模型進(jìn)行求解，得出應(yīng)力值[2]。

3.1 有限元模型建模

有限元模型建模的依據(jù)為浮體結(jié)構(gòu)圖紙和半潛船結(jié)構(gòu)圖紙，根據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)圖紙信息對(duì)浮體結(jié)構(gòu)和其周邊船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，浮體結(jié)構(gòu)和周邊船體結(jié)構(gòu)全部采用板單元進(jìn)行模擬，在對(duì)板單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，平均網(wǎng)格尺寸劃分為200×200，但浮體支架與浮體本體連接處為危險(xiǎn)截面，因此將連接處網(wǎng)格尺寸細(xì)化為100×100進(jìn)行分析。

3.2 對(duì)模型施加約束(邊界條件)

在周邊船體結(jié)構(gòu)建模時(shí)已經(jīng)包含了鄰近艙段的前后端橫艙壁和鄰近舷側(cè)的縱向艙壁，選取前后端橫艙壁和縱向艙壁作為邊界，對(duì)其所在面上所有單元的節(jié)點(diǎn)施加約束，約束條件為限制節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z3個(gè)方向的位移。

3.3 載荷加載

本次運(yùn)輸任務(wù)中半潛船所裝載的鉆井平臺(tái)總質(zhì)量為22 698 t，其對(duì)浮體及周邊船體結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力載荷是通過半潛船甲板與鉆井平臺(tái)之間的墊木傳遞到半潛船上的。在將鉆井平臺(tái)總的壓應(yīng)力進(jìn)行分解，并經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理和簡(jiǎn)化后，鉆井平臺(tái)對(duì)浮體及周邊船體結(jié)構(gòu)的載荷如圖3所示，圖3中數(shù)字單位為牛頓，鉆井平臺(tái)對(duì)半潛船和新加浮體的壓應(yīng)力施加到各個(gè)相關(guān)單元的節(jié)點(diǎn)上，這也是半潛船及新加浮體所受的外部載荷；同時(shí)半潛船和新加浮體本身亦受重力，在有限元強(qiáng)度分析軟件設(shè)置時(shí)，已經(jīng)將此情況考慮在內(nèi)，這也是半潛船及新加浮體所受的自身載荷。

圖3 鉆井平臺(tái)對(duì)浮體及周邊船體結(jié)構(gòu)的載荷

3.4 有限元應(yīng)力分析

經(jīng)過上述步驟的準(zhǔn)備，有限元模型已經(jīng)具備最后求解應(yīng)力的條件，利用軟件內(nèi)置求解器對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力求解，得出浮體和周邊船體結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力，其典型橫剖面應(yīng)力云圖如圖4所示。通過分析應(yīng)力云圖，可見在鉆井平臺(tái)的運(yùn)輸中，浮體周邊船體結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力值為225 MPa，新加浮體所受最大應(yīng)力值為256 MPa，均小于各自的許用應(yīng)力284 MPa，將求解得出的應(yīng)力匯總?cè)绫?所示。

圖4 有限元模型典型橫剖面應(yīng)力云圖

表2 應(yīng)力匯總表

4 結(jié)束語

從對(duì)半潛船新加浮體船體改造設(shè)計(jì)的論證與分析可知，在本次運(yùn)輸中新加浮體及半潛船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是足夠的，鉆井平臺(tái)運(yùn)輸任務(wù)安全可靠。在實(shí)際工作中，如本例情況貨物重量在半潛船的載重量以內(nèi)，但貨物尺寸超寬超長(zhǎng)等的案例很多，通過將現(xiàn)有半潛船船體進(jìn)行適貨性改造，并對(duì)船體改造設(shè)計(jì)進(jìn)行充分論證與分析，以保證半潛船船體改造的強(qiáng)度和遠(yuǎn)洋大件運(yùn)輸?shù)陌踩裕伺e對(duì)于使用現(xiàn)有半潛船運(yùn)輸大件貨物具有一定的借鑒意義。