双体式开发平台方案研究

赵夕滨，杨 玥，何 迪，周 佳

（1. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2. 中船第九设计研究院，上海 200063）

0 引 言

随着国家对海洋资源开发日益重视，在国家“十二五”海洋科学和技术发展规划纲要中明确“开发海洋及海岸工程技术”作为重点任务之一。近年来，我国科技界、造船界在海洋工作平台方面进行了大量的研究工作，为海洋开发建设提出了多种施工保障方案，但都存在制造成本高、开发周期较长等问题，未能达到投产阶段。应对上述需求，提出了在2条已有货船上加装连接桥的改装方案，建成具备施工保障功能的海洋浮式结构——双体式平台。该方案具备可行性，同时具有制造周期短、成本低、对环境影响小等优点。

1 双体式平台结构改造方案

平台由2艘散货船改造而成，平台结构形式可以看作2个纵骨架结构的独立船体与连接桥结构组合而成（见图1）。

双体式平台的纵摇、垂荡、纵向加速度除了在斜浪方向时，由于连接桥的存在，2个船体间有相互影响外，与原散货船基本相差不大；但是由于双体式平台横稳性比原散货船高许多，导致其横摇以及横向加速度与原散货船的性能差异较大。

连接桥显然是平台主体的重要组成部分，但除非在较为极端的海况条件下，会遭受抨击和上浪，一般不直接受静水和波浪的水压力作用，除自身的结构及设备重量外，受到的载荷主要由左右侧体在静水和波浪中水压力的分布和差异造成。当2个侧体分别受到的波动压力与当时的运动状态下的自身重量、惯性力不能平衡时，就会相对于原来的平衡位置发生偏移或转动，导致连接桥会间接承受一定的波浪载荷，从而产生了剪力、弯矩以及扭矩[1]。

因此，从理论分析着手，为保证连接桥与两侧船体间载荷的更好传递，并考虑到改造的经济性以及连接桥的载荷分布情况，仅将原散货船的艏艉4道舱壁与连接桥横骨架对应，并全部更换，中间3道舱壁与连接桥横舱壁错开，仅做局部加强（见图2）[2,3]。

图1 双体式开发平台横剖面

图2 连接桥设计

2 运动响应数值分析

基于三维线性绕辐射势流理论[4]进行运动性能和载荷预报，使用JONSWAP波浪谱，根据运动和载荷响应的传递函数和作业区域波浪统计数据进行长期预报，从而得出平台的运动性能和波浪载荷预报值。并对该平台进行频域下的运动响应数值分析，利用DNV-GL船级社的SESAM-GENIE软件，建立三维水动力模型，包括湿表面模型和质量模型（见图3、4）。

图3 三维湿表面模型

图4 作业工况质量模型

采用DNV-GL船级社的SESAM-WADAM软件，求出横摇、纵摇、垂荡以及甲板以上某处的横向和纵向加速度在每个浪向和周期的响应传递函数（RAO）（见图5～7）。其中纵摇RAO在6s左右还有一个较大的峰值，与普通船型有差异，这是由于双体造成的影响。

获得各项运动性能的RAO后，进行长期极值预报。参照英国海事技术公司（BMT）的《全球波浪统计》中该作业海域的波浪散布图[5]。计算时船首为NE向时，选取JONSWAP谱作为波浪谱。选取一年一遇的波浪载荷幅值作为作业工况波浪力的长期极值（见表1）。除横摇不满足作业时要求的＜4°之外，其他运动性能均满足设计要求。

图5 横摇RAO

图6 纵摇RAO

图7 升沉RAO

表1 平台运动性能长期预报

3 作业窗口分析

由于该平台是由两条散货船改装，具有施工周期短、成本低优点的同时，也存在牺牲横摇运动性能的问题。通过运动响应分析，发现该平台的横摇固有周期与作业所处海域的波浪周期存在一定的耦合，这是由于该平台的水线面积较大，横稳心高度较高造成。但是该平台设备作业对横摇角度要求，仅为4°，所以针对横摇的运动性能，进行允许作业的窗口时间分析，以确定可作业环境条件区间，并评估该平台的作业性能。

按照作业海域全年波浪散布图中每个波高、周期、浪向组合的波浪针对横摇进行短期预报。选取JONSWAP谱作为波浪谱。得到各个波高、周期、浪向组合的平台横摇运动的短期预报值。如果在一个波高、周期组合的环境条件下所有浪向的横摇预报值都不超过4°，即视为满足作业条件，见表2中阴影部分，都满足作业要求，概率为93.8%。根据每个季节的不同海况，同样可得出各季节平台的作业窗口（见图8）。

表2 作业窗口

图8 各季节作业窗口

4 总强度分析

4.1 设计载荷分析及设计波确定

根据该双体式平台的受力及变形模式，并参照相关规范的要求，确定5个设计载荷作为控制载荷，基于谱分析原理，确定设计载荷对应的设计波。该平台的设计载荷分别为：横向分离力、扭矩、纵向剪切力、垂向波浪弯矩和横向分离矩[6,7]。通过剖面积分得到各设计载荷在每个浪向和周期下的RAO，以横向分离力和扭矩为例（见图9、10）。

图9 横向分离力RAO

图10 扭矩RAO

在获得各项载荷的RAO后，对平台生存工况下的设计载荷进行长期预报，求出100a一遇的各设计载荷值，并确定各设计波参数（见表3）。

表3 平台生存工况下设计波参数

4.2 总强度校核及结构关键区域加强

总强度评估时，先在HYDROD中用已经确定的设计波进行水动压力计算，然后将波浪载荷及惯性力传递至结构模型（见图11），用SESTRA模块进行结构应力计算[8]。根据计算结果，对结构设计中的关键区域提出了加强修改方案并再次进行分析验证。

通过有限元直接强度分析，发现在原散货船横舱壁与连接桥横舱壁连接区域、散货船靠近连接桥甲板区域等关键区域，都存在较大应力集中，因此对该类型区域进行加强。加强后平台主要支撑构件的应力基本均小于许用值315MPa（见表4）。横舱壁上少数应力集中区域的相当应力值大于315MPa，采用局部增加板厚或提高钢级来解决。图12为加强后最大横向分离矩下横舱壁的应力分布。

图11 全船有限元模型

图12 加强后最大横向分离矩下横舱壁应力分布

由有限元分析可知，连接桥横向结构和原散货横舱壁上的压应力以及剪应力都较大，因此，根据ABS的屈曲校核规范，对这些区域进行屈曲强度校核。其中，最大横向扭转弯矩下的FR184横舱壁的屈曲UC值最大，为0.763，留有一定的设计余量（见表5）。

原散货船空船重量2条合计22000t，原船结构拆除约2100t，改造所用钢料重量约3300t，合计增重约1200t。由此可见，平台的改造工作量较小，具有良好的经济性。

表4 加强后的相当应力结果 单位：MPa

表5 加强后FR184横舱壁的屈曲强度校核结果

5 结 语

1) 在确定双体式平台的改装方案时，必须考虑平台运动性能的表现。当平台在目标海域的运动性能不能满足要求时，可通过作业窗口预报来评估方案的可行性和经济性；

2) 平台的气隙以及运动和载荷预报时所用的阻尼系数需通过相关模型试验来验证；

3) 对于双体式平台，连接桥和两个侧体内传递横向载荷的相关构件会承受较大的波浪载荷，进行结构设计时可通过总强度分析来校核和优化相关的结构形式和构件尺寸。

[1] 黄晓琼，陈 立，杨雄辉，等. 三体船连接桥结构波浪载荷研究[J]. 中国舰船研究, 2009, (4)： 42-46.

[2] 张洪达. 712客位三体客货运输船总体设计[J]. 船舶与海洋工程，2013, (2)： 23-27.

[3] 王显正，刘见华. 三体船总振动简化预报研究[J]. 船舶与海洋工程，2014, (2)： 9-11.

[4] Faltinsen O. M. Sea Loads on Ships and Offshore Structure [M]. Cambridge University Press, United Kingdom. 1990.

[5] 英国海事技术公司（BMT）. 全球波浪统计[M]. 1986.

[6] ABS, MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS, 2012.

[7] 中国船级社. 海上高速船入级与建造规范[S]. 2012.

[8] 程维杰，张海彬. U型半潜式起重铺管平台的总强度分析[J]. 船舶，2009, (6)： 33-37.