0 引　言

随着海洋经济的发展，涉及信息互联网、能源互联网以及海上风电场建设、岛屿互联建设亦得到快速发展，作为海上光缆、电缆以及光电复合缆埋设及维修的专业工程船舶，海缆船具有广阔的发展前景^{[1 − 3]}。同时对于深远海风场、岛屿之间短距离区间灵活穿梭、恶劣海况下定点、定向作业及光缆和动力缆敷设的功能要求也提高。布缆船（也称铺缆船/海缆船）因布缆对象不同，主要分为海底电缆铺缆船和通信光缆铺缆船^{[4 − 5]}。电缆船和光缆船所要求的具体结构型式不同，从缆盘型式和位置、抽缆和出缆的方式都不同，但亦有部分共同的功能，通过一定的设备更换及结构调整，可实现2种不同型式结构的功能要求。

转盘位于舱内还是作业甲板上各有优缺点，船体稳性及结构刚度上舱内占优势，但是操作上更为复杂，作业甲板上则船体稳性要求更高，并且对于单甲板及桁材加强没有双层底舱内肋板加强刚度和强度好，从建造和安装工艺上看，舱内结构加强和设备安装更为复杂，双层底反面加强一般不宜采用对应工字钢环形加强，而是采用肋板加密、局部加厚板等型式^[6]，但无论是放置于作业甲板上还是舱内，船中电缆载荷非常大而且集中，因此对船舶的总纵强度和局部强度要求比较高，再加上电缆转盘对该处船体结构的刚度和变形的要求也非常高，因此船中处的船体结构成为结构设计的关键^[7]。

本文以一型3000 t多功能海缆船（电缆为主）为例，简述总体设备布局及关键区域的基本结构型式；采用直接预报方法计算船体波浪载荷，初步进行总纵强度校核；对于双层底缆盘加强结构区域，通过对载荷工况分析，确定可能的极限装载工况，采用舱段有限元进行强度分析，并对比初期总纵强度校核，对缆盘特殊区域结构进行加强改进。

1 计算船型特点及参数

目前多数铺缆船考虑到A型吊架的布置、操作的便利性，以及作业线的长度需要一定空间，船尾集中作业方式较多^[7]，由于需要敷设2条作业线及预留尾部检修空间，中、尾部区域主甲板设备布置紧凑，局部设备在功能切换中亦需要临时拆除移位或存放，烟囱的布置会影响该区域整体设备的布局，且尾部甲板设计载荷亦达到10 t/m²，从结构强度以及相应特机设备的舱室布置需求，因此该船采用首机舱布置型式。该型多功能海缆船分为2条作业线，左舷是动力缆敷设，由过缆桥、履带布缆机、脐带缆绞车、埋设犁、A型吊架及动力缆入水槽等组成；右舷为海光缆敷设，由导向支撑通道、直线布缆机、控制室、接续室、埋设犁、A型吊架及入水槽等组成，甲板上左右舷分别布置有廊桥（GANGWAY）和甲板起重机等特机设备，同时通过局部设备移位及较小的可拆式结构改造，达到海缆检修功能。目标船主尺度参数见表1，中、尾部区域主要设备见图1，双层底缆盘区域加强结构见图2。

2 初步总纵强度校核

动力缆作业线运行时，缆盘随着驱动系统启动围绕柱型轴在舱内转动^[8]，主甲板上的过缆桥需要横向摆动覆盖缆盘内、外圈的范围；而海光缆是堆积在舱内，利用主甲板上直线布缆机抽缆，缆芯不动，开孔大小需覆盖海光缆的在舱内装载高度下的弯曲半径，因同时需要满足动力缆和海光缆敷设功能，主甲板的出缆孔采用横向开孔型式，且开孔范围从一侧到船体中心另一侧一定范围，横向开孔对于总纵强度不利，同时由于海缆船缆盘的集中载荷，横向强度也需要特别关注，需要根据不同的装载工况进行总纵强度校核和缆舱舱段强度分析。

一般没有特殊载荷且尺度比等指标满足规范要求的船舶，根据规范校核总纵强度即可，该型船不仅有船中大型集中载荷，且主甲板中间区域有较大开孔，因此先采用规范校核总纵强度，然后在进行缆舱区域的舱段有限元评估。舱段有限元端面弯矩根据初始总纵强度校核总弯矩确定，其他载荷根据不同装载进行计算加载。根据Mars软件建模得出计算横剖面特性值（见表2）可知，位于船体中部FR57及FR77主甲板剖面模数值较其他剖面还小，那么从总纵强度出发，除船中开孔区域，往船首、船尾应该还可以进行构件尺寸的优化，弯矩减小，而剖面模数增加，会增加更多的富余量；这种情况，还可以通过增加船中区域开孔外纵向板的厚度，减小开孔区域被折减无法计入剖面模数区域的板厚，这样使得板厚得以充分的利用，另外还要兼顾局部设备加强以及对于承载区域甲板载荷设定的要求，总纵强度校核过程见表3。

3 舱段有限元强度分析 3.1 计算分析模型建立

有限元模型单元的选取和网格划分、构件的取舍、边界约束条件的设定、载荷的施加等主要依据CCS《钢质海船入级规范》^[9]要求进行。模型中，船体各类板、壳构件，包括平台板、船体甲板、舷侧外板、纵舱壁板、强框架、纵桁材腹板等使用壳单元模拟，纵骨、扶强材以及桁材面板等使用偏心梁单元模拟。网格大小按肋距×纵骨间距，即按0.6 m×0.6 m左右进行划分，模型及板厚示意图见图3和图4。

3.2 计算工况及载荷

根据船舶实际作业状态，电缆满载装载时中垂弯矩较大，缆舱空载及较少装载时中拱弯矩较大。中垂计算工况考虑最大设备载荷，中拱计算工况不考虑最大设备载荷。根据以上原则，计算工况及加载载荷见表4。

船体舷外水压及液舱压力根据实际装载情况按规范要求施加，根据初步总纵强度校核，中垂和中拱状态，通过模型左右端面处施加弯矩，调整模型FR57中间截面弯矩达到设计的最大垂向弯矩目标载荷，中垂目标弯矩M₁ = 4.07×10⁵ kN·m，中拱目标弯矩M₂ = 4.72×10⁵ kN·m，端面弯矩施加要特别注意内甲板及其纵向构件是不参与总纵强度，端面弯矩MPC点不能包含这些节点。惯性载荷、设备自重载荷如下：

1）船体运动加速度

根据CCS《钢质海船入级规范》船体运动加速度计算公式，得出部分特征值见表5，可知根据规范计算可得最大横摇角已经大于设备商的极限横摇角（约20°）的要求，从设计角度应该按照规范计算对应的横向合成加速度加载；垂向载荷放大系数通常放大1.5倍，根据规范计算值得出为1.44g，一般考虑20%设计余量，因此取1.73g。

2）设备自重载荷

自重加上电缆最大装载量2 750 t，根据规范得出考虑动载及安全系数后，共4 750 t（系数约1.73）。施加载荷示意见图5，滑轮与内底板之间，设备自带的工字钢底座有3圈。根据载荷分布，最外圈滑轮处（半径约8.25 m）承受垂向载荷2 195 t，中间圈滑轮处（半径约5.0 m）承受垂向载荷2 059 t，回转轴（半径约1.55 m）承受垂向载荷496 t，垂向载荷将载荷模拟在半径约8.25、5.0、1.55 m三圈单元网格上。根据设备商提供的工字钢底座，该模型受力面积将小于实际工字钢底座面积，模拟局部受力将大于实际受力情况。

3.3 计算结果分析 3.3.1 整体结构校核分析

校核标准参照CCS规范对双壳油船结构强度直接计算的要求，公式不在此赘述。各种工况下，舱段有限元分析中的主要构件计算结果见表6，应力云图见图6～图9。从计算结果可知，主甲板横向开孔角隅以及内底板内圈轨道位置应力较大。主甲板及上甲板船体中部开孔区域另一侧应力较大。

3.3.2 内圈加强结构校核分析

根据上节强度校核，可知内底板内圈附近结构应力最大，且为施加对应加强筋或肘板的计算结果。最初未增加对应于内圈轨道加强筋或肘板时，其应力很大不满足要求。图10和图11分别为加强前和加强后的内底结构平面图，图12和图13分别为缆缆中心处下加强横剖面剖视图和横向加强筋位置剖视图。

最初考虑方案是将内底板加厚，但是加厚效果并不明显，只是内圈轨道与中桁材或横肋板十字交叉的4个点应力集中，局部嵌入板则板缝太近，整体加厚板不经济，同时要考虑到厚板与相连接板的过渡问题，板厚不能随意加大，表7为不同方案下内底板应力水平值，典型计算应力值如图14和图15所示。从表7结果可知，对应内圈轨道加筋或肘板最为有效。研究表明，舱内加强虽然横肋板和纵桁交错，且水平（横向和纵向）、垂向构件跨距或间距都较小，整体强度和刚度较好，但是内圈承受较大的水平载荷，水平剪切作用较大，对应内圈轨道直接加强抵抗剪切作用的效果最好。

3.4 与船体梁强度校核结果对比分析

根据初步总纵强度主甲板和船底板校核结果，结合中和轴位置得出下甲板及内底板应力结果；对比舱段有限元4个不同位置的应力结果，规范强度校核和舱段有限元分析方法是2套体系，许用值是不一样的，不能直接看计算结果值，应看UC值进行对比。表8为总纵强度校核下各主要构件的UC值，表9为2种不同方法下UC值局部载荷应力差值表。通常船体某个具体部位应力结果=船体梁总纵强度应力结果δ₁＋局部载荷应力δ₂，由表可知，内底板中局部载荷应力δ₂成分最大，对应于缆盘位置局部载荷最大，主甲板设计载荷次之，局部载荷应力δ₂也较大，船底板和内底板较近，组成双底支撑缆盘，同样局部应力亦较大，但是下甲板局部载荷叠加成分就较低，2种方法下校核情况基本吻合实际受力情况。

4 结　语

本文根据对多功能海缆船2条工作线要求整体布置下的结构设计，并对重要设备加强结构区域进行强度评估，得出以下结论：

1）根据总纵强度校核和舱段有限元分析结果对比可知，内底板在2种方法下局部载荷UC值差值达66.5%，局部载荷作用占到绝对作用，通过对内底板内圈轨道加强分析，可知由于内圈轨道受水平剪切载荷较大，局部增加板厚效果并不明显，对应应力集中位置加筋或者肘板效果最佳。

2）载荷放大系数设定需根据船体运动预报、规范计算值进行比较，取值要至少能覆盖直接预报和规范计算值的较大值。尤其是横向加速度，直接影响到内圈轨道的水平载荷。

3）计算结果表明，主甲板开孔角隅应力较大，双甲板开孔区域另一侧板厚需要局部加强，通过有限元分析能够明显看到该区域应力变化范围，实际上中剖面规范校核中，最顶端强力甲板或底部外板开孔只是一侧的情况，惯性矩是往另一侧偏移，但是规范校核一般不考虑这种现象，只是考虑惯性矩高度，校核垂向受总纵弯矩作用下的船体梁强度，对于单侧开横向孔型式，应结合舱段有限元分析进行局部加强。

结构设计建议：双层底中间的管缆通道，可考虑取消中纵桁，做成环形的T型材横骨架式，这样既方便管系布置和通行；加强结构布置上更加灵活；主甲板横向出缆孔可以考虑纵向开孔型式，通过调整主甲板特机设备布置，使得过缆桥纵向摆动达到抽缆目的，纵向布置能尽可能的保持纵向构件的完整性，提高总纵强度承受能力。