2022, Vol. 44
钻井船作为一种兼具试采、储存和油气处理能力的海洋装备，机动性好、装载能力强，在深水作业具有强大的优势，今后必将成为我国发展深远海油气的国之重器[1-2]。
随着深水钻井船的更新换代，不断向着大型化、设计更优化的方向发展。波浪载荷下的总纵强度问题突出，需要对其开展研究[3-5]。本文为了能满足深水钻井船在恶劣海况下的工作需求，分别建立了某深水钻井船的水动力模型及全船有限元模型，采用挪威DNV船级社开发的SESAM/WADAM软件及SESAM/POSTRESP软件，基于三维绕辐射势流理论，研究其波浪载荷特性，预报深水钻井船在航行及作业工况下波浪诱导的剪力和弯矩载荷，并基于船级社规范进行有限元分析，进一步校核其强度，结果符合设计要求，可为今后相关船型设计提供依据，具有一定的工程意义。
1 船型参数及有限元模型 1.1 船型参数本文计算对象为某深水钻井船，约33000总吨，最大钻深11000 m，采用综合电力驱动，配备全回转和隧道式推进器，具有无限航区、B2级冰区加强、DP-3级动力定位能力，可兼具隔水管和无隔水管钻探作业方式。主尺度如表1所示。
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表 1 深水钻井船主尺度参数 Tab.1 Main dimension parameters |
根据深水钻井船不同的使用情况，作业工况、待机工况、生存工况下分别应需满足的设计海洋环境条件如表2所示。
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表 2 环境条件 Tab.2 Environmental conditions |
该钻井船的三维有限元模型如图1所示，依据规范要求，该有限元模型为板梁混合模型，其中船体外板、各层甲板及平台、纵横舱壁及围壁、船底纵桁和船底肋板，以及强横梁和纵桁的腹板等采用了shell单元，在线型变化较大的地方如首部区域，为了能更好反映船体的形状，同时避免产生四边形翘曲单元，适当使用了一些三角单元，其余区域尤其是船中区域尽量使用四边形单元，并且避免畸形单元，板单元边长比不能超过3，对于高应力区，板单元边长比应接近1。其他小横梁及纵骨、舱壁扶强材，以及强横梁和纵桁的面板均采用了梁单元，并考虑空间偏心。
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图 1 全船有限元模型 Fig. 1 Finite element model |
模型单位：长度为mm、质量为kg、力为N。
模型坐标系：X轴为船长方向，并以船首为正方向；Y轴为船宽方向，并且左舷为正方向；Z方向为高度方向，向上为正方向。
1.4 装载工况结合该钻井船的工作需求及其作业能力，可分为航行、作业、生存3种状态，并结合实际的装载情况，筛选出最为危险的装载工况如表3所示。
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表 3 装载工况 Tab.3 Loading conditions |
根据船体型线图，在前处理软件中分别建立该船的三维湿表面模型以及质量模型，如图2所示。
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图 2 湿表面模型 Fig. 2 Wet surface model |
其中湿表面模型采用不同于有限元的四边形单元划分，单元大小约为2 m×2 m，共划分2914块面元，质量模型根据不同的装载工况下的重量分布，采用质量棒进行模拟全船的重量分布，如图3所示。
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图 3 质量模型 Fig. 3 Mass model |
基于三维势流理论，在Hydrod模块中进行水动力求解，可以获得船体表面的波浪动压力、运动传递函数。
2.1 RAO传递函数基于运动方程的求解，得到不同浪向、不同频率下船体重心处的运动传递函数响应，沿船长方向定义一系列计算剖面，按照达朗伯原理便可进一步计算处各船体剖面载荷响应的传递函数。该钻井船为典型的宽浅吃水型船，总纵垂向弯矩和总纵垂向剪力为其最显著的剖面载荷，选取这2种载荷为特征载荷进行重点分析。
在传递函数的计算过程中，采用扫频的方法以捕捉更为准确的载荷峰值，其中波浪频率步长为0.05 rad/s，范围为0.05 rad/s ～2 rad/s，；浪向角步长为22.5°，范围为0°～180°。
由该船的作业需求和装载状态，分别求解不同吃水情况下的船体运动和特征载荷传递函数。到不同吃水情况下的总纵垂向弯矩和总纵垂向剪力的传递函数峰值曲线，如图4～图8所示，
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图 4 FR45处垂向剪力和FR105处垂向弯矩传递函数（LC1） Fig. 4 Transfer function (LC1) |
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图 5 FR35处垂向剪力和FR105处垂向弯矩传递函数（LC2） Fig. 5 Transfer function (LC2) |
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图 6 FR170处垂向剪力和FR105处垂向弯矩传递函数（LC3） Fig. 6 Transfer function (LC3) |
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图 7 FR170处垂向剪力和FR105处垂向弯矩传递函数（LC4） Fig. 7 Transfer function (LC4) |
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图 8 FR170处垂向剪力和FR105处垂向弯矩传递函数（LC5） Fig. 8 Transfer function (LC5) |
可以看出，剖面剪力和弯矩RAO传递函数幅值在LC3和LC4工况下明显小于LC1，LC2和LC5工况，而LC3和LC4两种工况的差异较小，LC1，LC2和LC5三种工况的差异较小，结合表3可以发现，当装载工况改变引起的排水量改变较大时，对总体载荷的影响较大，而当排水量改变较小时，对总体载荷的影响可以忽略不记。
2.2 剖面载荷长短期预报由于深海钻井船满足全球无限航区的自由航行，且全生命周期内遭遇的海况随机，因此基于10−8超越概率水平的给出深海钻井船在航行工况下船体剖面垂向波浪剪力和垂向波浪弯矩的长期预报值（见图9）；深海钻井船会针对性的选择低海况进行作业，当遭遇恶劣极端海况时，选择紧急避险，因此基于短期极值预报方法确定该船作业工况和生存工况下船体剖面垂向波浪剪力和垂向波浪弯矩的短期极值（见图10～图11）。
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图 9 航行工况下波浪载荷长期预报值（LC1） Fig. 9 Long term prediction value of wave load under navigation condition (LC1) |
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图 10 作业工况下的波浪载荷短期预报值（LC2～LC4） Fig. 10 Long term prediction value of wave load under running condition (LC2−LC4) |
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图 11 生存工况下的波浪载荷短期预报值（LC5） Fig. 11 Long term prediction value of wave load under living condition (LC5) |
从上述计算结果可以看出，
1）不同的装载工况下，波浪载荷沿船长的分布规律基本一致，其中波浪剪力总在首尾1/4处出现最大值，而波浪弯矩在船中处出现最大值。
2）生存工况一般是极端海况，而作业工况为四级及以下的低海况，且从载荷预报值的大小可以看出，生存工况>航行工况>作业工况，说明航行工况采用长期预报，而作业工况和生存工况采用短期预报的计算方法是合理可行的。
3 全船总强度分析为了能更为准备的模拟实船的重量分布情况，将重型设备简化成质量点与船体结构通过MPC连接，小型设备、舾装件、物品等通过改变结构材料的密度模拟，液货舱的装载情况通过质量单元模拟进行建模。
利用SESAM/WADAM软件计算了结构的动、静水压力和加速度，通过水动力网格向有限元网格插值的方法，将其直接传递到结构模型上去。
3.1 边界条件及应力衡准边界条件：为了避免结构模型因约束不足而产生错误，必须给结构模型施加一定的约束条件。根据实际情况，位移边界条件可以是弹性固定或刚性固定的，且节点上的支反力应该尽可能的小，因此在中纵剖面选取3个不共线的节点，每个节点施加如下的位移边界条件，如图12所示。
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图 12 边界条件 Fig. 12 Boundary condition |
节点1：限制X，Y，Z三个方向的位移；
节点2：限制Y，Z两个方向的位移；
节点3：限制Y方向的位移。
深海钻井船全船主要材料均采用D36/E36的高强度钢（
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表 4 应力衡准表 Tab.4 Stress criterion |
对该船进行准静态有限运分析，根据基本设计结构图得到的整体应力进行屈服校核。不同工况下船体最大等效应力如表5所示。
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表 5 最大等效应力 Tab.5 Maximum equivalent stress |
经过有限元模型计算，从计算结果可以看出，主甲板和外板处的结构应力是明显大于其他甲板，纵舱壁和横舱壁上应力较大区域也是位于主甲板和船底附近，而中和轴附近的应力较小。且5个工况下，最大合成应力为287 MPa，满足设计要求。较大应力工况应力云图如图13～图15所示。
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图 13 典型全船应力云图(LC1) Fig. 13 Von Mises Stress contour(LC1) |
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图 14 典型纵舱壁应力云图（LC2） Fig. 14 Von Mises Stress contour(LC2) |
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图 15 典型横舱壁应力云图（LC2） Fig. 15 Von Mises Stress contour(LC2) |
本文针对某深海钻井船的波浪载荷特性及全船总强度进行分析计算，可以得出以下结论：
1）不同的装载工况下，波浪载荷沿船长的分布规律基本一致，其中波浪剪力总在首尾1/4处出现最大值，而波浪弯矩在船中处出现最大值。
2）生存工况一般是极端海况，而作业工况为4级及以下的低海况，且从载荷预报值的大小可以看出，生存工况>航行工况>作业工况，说明航行工况采用长期预报，而作业工况和生存工况采用短期预报的计算方法是合理可行的。
3）主甲板和外板处的结构应力是明显大于其他甲板，纵舱壁和横舱壁上应力较大区域也是位于主甲板和船底附近。尽管该深海钻井船总强度满足规范标准，但这些应力较大区域的结构设计仍需引起注意。
本文根据深海钻井船的工作需求，研究其波浪载荷特性，预报深水钻井船在航行及作业工况下波浪诱导的剪力和弯矩载荷，并基于船级社规范进行有限元分析，进一步校核其强度，结果符合设计要求，可为今后相关船型设计提供依据，具有一定的工程意义。
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