2021, Vol. 43
2. 上海海洋大学，上海 201306;
3. 青岛杰瑞工控技术有限公司，山东 青岛 266061
2. Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
3. Qingdao Jari Industry Control Technology Co., Ltd., Qingdao 266061, China
大型半潜运输船的型宽较大，具有优秀的甲板载货面积和出色的承载能力，能满足日益增加的超大型海上设备运输的需求，通过融入下潜技术，使需要装运的设备可以直接到达运货甲板，再通过上浮完成装填任务[1]。长期以来半潜船运输模式比较少，荷兰的Dockwise公司几乎垄断了全球半潜船航运市场[2]，随着近20年来中国的船舶设计技术提升，超大载重吨位的深吃水半潜运输船已可实现自主设计。深吃水半潜运输船较常规运输船型货物特殊，种类繁多，装载及作业工况多，结构载荷大，如何保证深吃水半潜运输船的安全，提升运输能力，是结构设计的重要目标之一。
半潜船的设计规范和方法，国外已开展了大量研究，但各国船级社给出的设计流程及方法还不统一，较为笼统。DNV GL船级社针对半潜式运输船的总体结构设计有专门的设计规范章节[3], ABS船级社对半潜式运输船的结构设计也有相关论述[4]。
国内关于深吃水半潜运输船的设计和建造经验相对较少，尚未形成专门的设计规范，只在通用钢质海船入级规范的半潜船章节有简单介绍[5]。桂满海[6]以我国首艘自主研发的半潜船“希望之路”号为例，介绍了半潜船特有的船舶性能及特点；田明琦等[7]从半潜运输船的设计出发，介绍了50000吨级以上大型半潜运输船的船型特点和市场情况，并阐述了半潜船的常规设计方法和作业原理；李晓君等[8]分析了极地半潜船设计存在的问题，提出了半潜船在冰区加强、重大件摆放及绑扎强度等方面的设计方法。本文通过介绍深吃水半潜船结构设计流程，阐述设计流程中的重要环节及关键技术，为大型半潜船设计、强度校核提供参考。
1 主要关键技术 1.1 直接计算法《CCS钢质海船入级规范》里给出了常规运输船波浪载荷计算公式（1）～式（4），船体各横剖面的中拱波浪弯矩
| ${M_W}( + ) = + 190MC{L^2}B{C_b} \times {10^{ - 3}}\;{\rm{kN}} \cdot {\rm m},$ | (1) |
| ${M_W}( - ) = - 110MC{L^2}B\left( {{C_b} + 0.7} \right) \times {10^{ - 3}}\;{\rm{kN}} \cdot {\rm m}{\text{。}}$ | (2) |
式中：
船体各横剖面的中拱波浪切力
| ${F_W}( + ) = + 30{F_1}C{L^2}B\left( {{C_b} + 0.7} \right) \times {10^{ - 2}}\;{\rm{kN}},$ | (3) |
| ${F_W}( - ) = - 30{F_2}C{L^2}B\left( {{C_b} + 0.7} \right) \times {10^{ - 2}}\;{\rm{kN}}\text{。}$ | (4) |
式中：
但因大型深吃水半潜运输船的型宽较常规船大，通常船长/型宽≤5，型宽/型深比≥2.5，不完全满足CCS规范的波浪弯矩及剪力公式的使用条件，需要采用直接计算法进行波浪载荷计算[5]。
1.2 非均匀载荷强度校核CCS规范要求，在校核船中区域的横向强度时，应包括半潜船典型的作业工况，其中包含下潜工况和航行工况。深吃水半潜运输船甲板有多种承载方式，如图1所示。包括甲板点载荷、线载荷、面载荷等类型，载荷种类不同，加载位置多样会产生很多种工况，校核的工作量比较大。
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图 1 甲板不同载荷类型施加模型 Fig. 1 Different load model types on deck |
基于多年大型半潜运输船的实际设计经验，应用直接计算方法及有限元方法分析深吃水半潜运输船结构设计强度问题，量化考虑非均匀载荷对结构设计的影响，建立一套深吃水半潜运输船深吃水半潜运输船结构设计流程，主要如图2所示。
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图 2 深吃水半潜运输船结构设计流程 Fig. 2 The structural design process of deep draft semi-submersible transport vessel |
近年来，国内50000吨级以上的大型深吃水半潜运输船在吨位和数量上已经赶超了荷兰Dockwise公司，本文以典型65000吨级大型深吃水半潜运输船为例，介绍深吃水半潜运输船深吃水半潜运输船结构设计流程，阐述各阶段设计中的具体方法和关键技术。
2.1 主要布置特点65000吨级大型深吃水半潜运输船是典型的三岛式半潜船，尾部两舷各设置一个可拆卸式浮箱，方便尾部上货，首部布置首楼和上层建筑，设有首、尾2个机舱，双桨双舵，主船体除机舱外均设置压载水舱，确保足够的载重能力，总布置如图3所示。该船需满足CCS规范，无限航区，浮冰级冰区航行。其主尺度参数如下：总长231.1 m，露天承载甲板长192 m，型宽46 m，型深14.5 m，下潜深度27.5 m，设计吃水10.9 m。
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图 3 65 000吨级半潜运输船总布置图 Fig. 3 General arrangement of 65 000 t semi-submersible transport vessel |
深吃水半潜运输船的中横剖面图设计，虽与常规船型相似，但有其自身的特殊性。例如特殊的波浪载荷计算方法，沉浮工况下中横剖面强度单独校核以及非均匀载荷有限元强度分析等。
2.2.1 波浪载荷计算65 000吨级深吃水半潜运输船属于典型的宽扁船型，不完全满足CCS规范的波浪弯矩及剪力公式的使用条件，需要采用直接计算法进行波浪载荷计算。基于CCS船级社波浪载荷计算软件Compass-Walcs-Basic，校核满载出港及压载到港2种工况，通过计算波浪弯矩及波浪剪力的频率响应函数（RAO），基于北大西洋海环境IACS Rec. 34波浪统计资料进行长期预报，根据CCS规范要求进行非线性修正，得到2种装载工况下的波浪弯矩和波浪剪力如图4～图7所示。
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图 4 满载出港工况垂向波浪弯矩 Fig. 4 Vertical wave bending moment under full load departure condition |
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图 5 满载出港工况垂向波浪剪力 Fig. 5 Vertical wave shear force under full load departure condition |
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图 6 压载到港工况垂向波浪弯矩 Fig. 6 Vertical wave bending moment under ballast arrival condition |
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图 7 压载到港工况垂向波浪剪力 Fig. 7 Vertical wave shear force under ballast arrival condition |
经过非线性修正后，船中处波浪弯矩值为4 294 000 kN·m和−4 655 000 kN·m，波浪剪力值72 790 kN和−79 060 kN。而采用CCS规范经验式(1)～式(4)计算出的波浪弯矩值为3 539 000 kN·m和3 845 000 kN·m，波浪剪力值39 620 kN和−43 040 kN。经对比，水动力直接计算出的波浪弯矩要比规范计算值大了约21%，而剪力则大了约83.7%。可见，经验公式计算出波浪载荷与实际船遭受的波浪载荷偏差较大。
2.2.2 中横剖面强度校核1）总纵强度
经过设计本船中横剖面如图8所示，3道纵舱壁能很好保证船体的刚性，强框三档肋距设置，压载舱均为斜底，缩短排压载时间，减少舱内积水。主船体构件全部采用了H36的高钢。
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图 8 中横剖面图 Fig. 8 Midship section |
与常规半潜船主甲板为普通钢不同，该船型由于总纵载荷较大，为避免主甲板过厚，主甲板材料取H36的高钢。如果设计过程半潜船在主甲板计算板厚不大，普通钢仍是首选。
依据CCS规范，半潜船在常规作业工况下，波浪载荷可取水动力计算载荷的50%，在港口装卸货工况下，波浪载荷可取20%，由于不同船级社对不同船型、不同工况的波浪载荷计入百分比也不同，设计时需加注意。
2）局部强度
半潜船的货物装卸除了吊装、滚装、滑装还需要考虑一种特殊方式：漂浮装卸，即通过调整压载水量实现下潜和上浮从而完成货物的装载。半潜船下潜主要利用压载泵和自身重力2种方式，不同的压载水操作方式也会带来局部构件的尺寸差异。该船型下潜时采用重力式辅助负压吸引吸入压载水，不仅节约能源还能减小构件的计算压力，减轻重量，上浮采用了压缩空气排压载，局部构件承载需要额外考虑压缩空气的压力值。
通过总纵强度和局部强度计算，加上必要的剖面设计绘图和节点详图，基本可以完成典型横剖面图设计及强度校核。
2.3 非均匀载荷有限元强度分析根据CCS规范中横剖面的强度主要考核航行正浮状态，航行横摇状态以及下潜状态，其中压载水和甲板载荷布置方式如表1所示。
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表 1 压载水和甲板载荷布置方式 Tab.1 Arrangement of ballast water and deck load |
典型舱段有限元模型如图9所示。
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图 9 典型舱段有限元模型 Fig. 9 FE model of typical cabin section |
计算结果如图10所示。最危险工况出现在航行横摇状态，横向加强框腹板靠近主甲板处应力较高，最大达到207.71MPa，主要原因是主甲板均布载荷较大，需要对16mm的板厚进行局部加厚，横向加强框补强方案如图11所示。
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图 10 横向加强框应力分析结果 Fig. 10 Stress analysis results of transverse reinforced frame |
对于非均匀载荷强度校核，根据该船型的货物装载方式设置6种甲板线载荷极限工况：1）船中连续3个横向强框同时施加125 t/m的线载荷；2）舱壁位置及其前后各1个横向强框，同时出现线载荷，其中舱壁为250 t/m，横梁为125 t/m；3）舱壁前的3个横向强框同时施加125 t/m的线载荷；4）在舱段中间，横向5个纵向舱壁，每个纵舱壁同时作用5 m长的线载荷；5）在横舱壁位置，以横舱壁为中心，横向5个纵向舱壁，同时作用5 m长的线载荷；6）舱壁前每个纵舱壁同时作用5 m长的线载荷。选取连续3个舱段进行校核，如图12所示。
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图 11 横向加强框补强方案 Fig. 11 Strengthen scheme of transverse reinforced frame |
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图 12 连续三舱段有限元模型 Fig. 12 FE model of continuous three cabin |
经过分析表明纵向加载的线载荷叠加总纵载荷后，主要影响3道纵舱壁最上列板厚和舷顶列板板厚。横向加载主要影响靠近主甲板处横舱壁及横向强框的板厚。
3 结 语以65000吨级深吃水半潜运输船为例，介绍具有超大型海上设备运输能力的半潜船在结构设计分析中的基本流程与方法，主要结论如下：
1）由于大型半潜运输船运载设备体积需求大及下潜吃水深的特点，船体中横剖面设计、波浪弯矩及剪力计算以及不均匀装载强度计算均与常规运输船有一定的特殊性。
2）应用直接计算方法及有限元方法分析深吃水半潜运输船结构设计强度问题，量化考虑非均匀载荷对结构设计的影响，建立一套深吃水半潜运输船深吃水半潜运输船结构设计流程，该设计流程符合工程设计的实际需求。
3）船体结构设计在大型半潜运输船设计中最为基础和关键。
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