0 引　言

随着我国致力于不断提高对深远海洋区域进行科学考察和资源勘探的能力，越来越多应用于特殊作业的特种水下装置进入深远海洋，而特种水下装置作业能否顺利开展，主要依赖于保障支持母船，保障支持母船是特种水下装置在深远海区域进行科学考察、资源勘探的重要技术支撑，通过保障支持船为特种水下装置提供海上收放、维护维修、数据勘探、分析取样等综合性的水面支持后勤保障，有效保证特种水下装置进行安全作业。

基于特种水下装置作业对水面支持的特殊要求，必须配备专业的水下装置保障船为其提供功能保障^[1]。本文以尾部U型开槽式水下装置保障船为研究对象，是我国首艘具备400 t级特种水下装置海上收放能力的水下装置保障船。可在无限航区保障特种水下装置进行科考作业，具备专业的收放能力、综合保障能力、深海科学考察能力、突出的功能拓展能力。

1 尾部U型开槽式水下装置保障船概况

水下装置保障船为全焊接结构钢质船，单层全通强力甲板，设有双层底，直立型船首，前倾首楼，船尾设有U型开槽，配有由升降甲板、桩腿、龙门架及固桩室等组成的大型升降式收放系统，船中设有宽敞甲板、轨道、起重机及封闭式维修舱，具备特种水下装置维护、维修以及保障能力；保障支持船内设有多种探测设备，具备深海科考能力，能够完成海洋资源探测等科考任务，能够适应船舶领域未来发展相适应的科学项目。

为保证水下装置保障船能为水下特种装置提供有效安全保障，本文针对水下装置保障船的尾部关键区域结构、船体总纵强度等重点问题展开研究，设计了3种以固桩室设置不同的尾部结构形式，对比分析其在横开、横关及扭转工况下，尾部片体结构变形和应力变化；针对升降式收放系统的固定起吊和浮动起吊作业，设计了箱梁抬高型和箱梁等高型龙门架结构，评估选取更为安全可靠的龙门架结构形式。基于水下装置保障船与常规船型的差异，应用船舶设计手册^[2]的近似估算公式，考察目标船实际装载与估算值差异，采用船体梁法^[3]和有限元法^[3]对目标船的总强度进行研究，探讨分析2种方法计算结果的异同点，用于指导尾部U向开槽式水下装置保障船的结构设计。

2 尾部关键区域结构分析

对于目标船而言，尾部因设置U型开槽，形成双片体结构，而门架结构整体位于双片体结构上部，使其相比传统辅助型船舶，尾部开槽区域结构形式特殊且复杂，也是本船结构设计的重点。因此，结构设计方案应尽量增加船体纵向承载弯矩能力，增强该区域结构刚度，避免船体出现较大结构变形。

2.1 尾部双片体结构响应分析

尾部U型开槽形成的双片体结构，在船体航行过程中，容易出现由于同片体内外侧吃水不同、左右片体吃水不同，即尾部片体在横开、横关与纵向扭转情况下，造成片体及片体之间产生较大的横向、垂向变形差异，会对尾部升降收放系统正常作业有直接影响。

本文设计了3种尾部结构形式：1）ST1—设置固桩室，但固桩室不延伸至舷侧；2）ST2—设置固桩室，固桩室延伸至舷侧；3）ST3—不设置固桩室结构，具体结构模型如图1所示。对比分析3种尾部结构，在横开、横关、扭转工况下（见表1），尾部两片体（近首、尾桩腿端）横向、垂向变形及结构应力变化差异。

表2～表3为各工况下不同结构形式的结构变形和应力结果，以尾部结构形式为横坐标，片体横向变形、片体间垂向错开变形量为纵坐标作折线图，如图2～图3所示。

在横开、横关及扭转工况下，对比分析计算结果可看出：

1）固桩室不延伸至舷侧，ST1与ST2结构形式的尾部双片体横向最大变形相差较小，片体间垂向错开变形量几乎持平，整体应力水平相当，2种形式结构响应差异不大。

2）不设置固桩室情况下，ST3较ST1、ST2的尾部片体横向变形及垂向片体错开变形量较大，月池区域应力水平较高，主要因为无固桩室的ST3结构整体刚度较差，同时船首有较大的上层建筑，加上尾部重量过轻，还易出现尾倾。

3）3种形式结构应力均表现为近首端桩腿区域应力大于近尾端桩腿区域，主要由于月池近首端区域存在折向变截面突变，应力集中更为明显。因此设计时应考虑一定的折角（如30°）进行平稳过渡。

针对本船，设置固桩室一方面既能保证升降桩腿的安全作业，又能有效提高整体结构刚度，避免尾倾；另一方面固桩室是否延伸至舷侧，对尾部月池区域结构响应的差异性不大，同时考虑到本船在尾部主甲板区域舷侧有设备布置需求，故本船固桩室设计不延伸至舷侧。

2.2 龙门架结构

目标船对水下装置的布放回收主要依靠尾部龙门架、升降甲板及桩腿等构成的水下装置升降式收放系统，收放系统吊点作业形式包括固定吊点起吊和浮动吊点起吊，吊点作业安全直接取决于龙门架结构，吊点布置及各作业工况见图4与表4。

本文龙门架设计主要由两X型门架与一箱型横撑连接组成，考虑2种结构类型，1）箱梁抬高型：箱型横撑抬高架于两X型门架之上；2）箱梁等高型：箱型横撑与两X型门架等高连接，模型参见图5典型工况下2种门架结构应力云图。

对比分析各工况下2种门架结构应力曲线（图6），可以看出：

1）各吊点作业工况下，抬高型门架结构应力水平整体较等高型明显要低，应力分布传递更加均匀，除弧形过渡外，横撑端部下方可增设肘板，降低角隅处结构应力水平，避免应力集中；

2）抬高型横撑端部与2个门架的弧形过渡区域（见图7）仅底部需要，而等高型则上下均需要，对应焊接人员施工作业量减少，焊接难度降低；

3）起吊作业时，抬高型门架可扩大起吊作业高度范围，有效增大起吊操作空间，更利于完成水下装置的收放作业。

3 船体总纵强度分析 3.1 船体载荷分析

1）静水载荷

水下装置保障船首部具有较长且高的上层建筑，尾部配有龙门架、桩腿及固桩室等构成的水下装置升降式收放系统，即重量集中在首尾两端，则中拱载荷应远大于中垂载荷，同时也将与常规船型有较大差异。为研究水下装置保障船与常规船型的静水载荷区别，本文应用船舶设计手册^[2]中推荐的近似计算法估算该尺度常规船型静水载荷，常用的船体载荷近似计算公式如下：

舯剖面中垂静水弯矩：

${M_{SO}=-0.065C_{W_u}L^2B(C_B+0.7)，}$

(1)

舯剖面中拱静水弯矩：

$M_{SO} = C_{W_u}L^2B(0.1225-0.015C_B)，$

(2)

舯剖面处静水剪力：

$Q_{SO}=5\frac{M_{SO}}{L}。$

(3)

目标船实际静水载荷极值与近似公式估算数据结果如表5所示。

结果表明：船体的静水剪力方面，实际装载值远大于近似公式估算值，公式估算值计算占比64.7%；同样在静水弯矩方面，目标船中拱静水弯矩远大于近似公式估算值，且目标船基本不存在中垂工况，两者均说明水下装置保障船与常规船型相比，静水载荷方面存在较大差异，在船体结构设计时，特别是船体关键区域即强度分析时需要特殊考虑。

2）波浪载荷

对于水下装置保障船，尾部设有U型开槽，与常规船体湿表面差异较大，应用经验与规范公式估算不能准确反映湿表面的真实受力，本文采用直接计算对波浪载荷进行预报，应用软件SESAM/PatranPre，根据U型开槽主船体的特殊型线建立了该船的湿表面模型和质量模型，如图8所示。

应用HydroD软件，基于三维绕辐射势流理论的SESAM/WADAM对典型工况波浪载荷进行长期预报，同时预报值按照《钢制海船入级规范》^[3]进行非线性修正，得到相应波浪载荷设计值，如表6所示。

设计波参数决定了施加到湿表面模型上的波浪压力及整船惯性力等，保证整船有限元分析得到的响应结果能有效反映水下装置保障船实际航行过程中一定超越概率水平的响应值。通过计算所有浪向和频率范围内的幅频响应，获取幅频响应最大值对应的浪向、周期及相位，即为设计波所对应的浪向 β、周期T 及相位Φ，由此选择典型的规则波, 使之产生与长期预报值相等的波浪载荷^[4], 作为有限元强度分析的设计波参数输入。

本文直接给出目标船有限元法计算输入的设计波参数值，如表7所示。

3.2 船体梁法与有限元法总强度分析

对于目标船，考虑到仅采用规范中经验公式不能真实反映全船的实际应力分布情况，容易造成如U型开槽等高应力区的结构设计考虑不全。因此，为更准确把握对目标船的结构设计，本文同时采用船体梁法和有限元法对总强度进行分析^{[5 − 6]}，并对比2种方法的计算结果，获取反映船体关键区域结构的响应信息，为水下装置保障船结构设计提供支撑。

有限元法采用MSC·Patran软件建立水下装置保障船全船有限元模型，为确保计算准确性，需调节重量重心平衡，即全船重量与浮力特征符合船体实际浮态，并通过调整动平衡，将瞬时波浪力、惯性力和整船质量模型组成精确的平衡力系，实现整船的准静态强度分析。船体梁法根据目标船结构形式，选取5个典型船体剖面进行研究，利用BV-MARS进行建模分析，获取各区域剖面特性，再利用公式计算出各典型剖面的甲板、船底板弯曲应力和最大剪应力。2种方法计算所需船体梁载荷、设计波参数输入等由3.1节分析得到，模型如图9所示。

因统计数据量较大，并且2种方法针对性不同，有限元法综合考量了船体各类结构应力，船体梁法仅趋向于总纵弯曲，两者使用的应力衡准也不相同，见表8。因此，本文提取2种方法计算结果中的应力分量，分别与相应衡准进行对比分析^[7]，正应力主要比较船底区域和主甲板区域，具体数据见表9，表中UC值代表计算应力与应力衡准比值。

以剖面位置分布为横坐标，2种方法计算结果正应力与剪应力UC值为纵坐标，作应力衡准UC曲线，如图10所示。

1）可以看出：对于目标船船体结构应力校核，2种方法得到的UC趋势基本一致；

2）由于目标船尾部设有U型开槽，导致主甲板结构区域本身纵向连续性较差，使得有限元法在该区域计算正应力水平较船体梁法要高，侧面说明有限元法反映U型开槽区域的应力分布更真实，后续应特殊考虑该关键区域的结构设计。

4 结　语

本文通过研究尾部U型开槽式水下装置保障船，着重阐述了尾部关键区域结构设计、船体总纵强度等重点问题。设计了3种不同尾部结构形式，探讨其在横开、横关及扭转工况下，尾部双片体区域的变形及应力分布差异；对比分析了2种不同龙门架结构形式，进行固定起吊和浮点起吊作业时，2种门架结构强度变化差异；针对水下装置保障船的非常规船型，采用船体梁法和有限元法，比较了2种方法的计算结果差异。由此得出以下结论：

1）在横开、横关及扭转工况下，固桩室不延伸至舷侧的尾部双片体横向最大变形、垂向变形错开量以及桩腿凹槽及变截面等敏感区域的应力水平，较不设置固桩室结构要强，整体结构刚度提高显著，同时可避免尾倾；与固桩室延伸至舷侧结构差异不大，但保证船体结构强度情况下，同时能为舷侧设备布置需求提供更多空间。

2）同等固定起吊和浮点起吊作业下，箱梁抬高型龙门架结构强度比箱梁等高型更好，底部方便设置肘板，同时减少弧形过渡区域，既能有效避免应力集中，又能减少与降低焊接人员的工作量及焊接难度；并且抬高型门架能够较大程度的增加吊机起吊作业空间，更便于完成水下装置的海上布放回收作业。

3）水下装置保障船实际装载与常规船型近似估算的船体载荷有一定差异，利用有限元法能真实反映船体关键区域结构应力，利于指导该船型尾部升降式回收系统区域的结构设计。